Орчин үеийн бодит байдал нь дулааны хөдөлгүүрийг өргөнөөр ашиглах явдал юм. Тэднийг цахилгаан мотороор солих олон оролдлого одоогоор бүтэлгүйтсэн. Автономит системд цахилгааны хуримтлалтай холбоотой асуудлыг маш их бэрхшээлтэй шийддэг.
Цахилгаан батерейг үйлдвэрлэх технологийн асуудал нь урт хугацааны хэрэглээг харгалзан хамааралтай хэвээр байна. Цахилгаан тээврийн хэрэгслийн хурдны үзүүлэлтүүд нь дотоод шаталтат хөдөлгүүртэй автомашинуудаас хол байна.
Эрлийз хөдөлгүүр бүтээх эхний алхмууд нь мега хотуудын хорт утаа ялгаруулалтыг эрс бууруулж, байгаль орчны асуудлыг шийдвэрлэх боломжтой.
Бага түүх
Уурын энергийг хөдөлгөөний энерги болгон хувиргах боломжийг эрт дээр үеэс мэддэг байсан. МЭӨ 130 он: Александрын гүн ухаантан Герон үзэгчдэд уурын тоглоом - аэолипил бэлэглэв. Уураар дүүрсэн бөмбөрцөг түүнээс гарч буй тийрэлтэт онгоцны нөлөөн дор эргэлдэж эхлэв. Орчин үеийн уурын турбинуудын энэ загвар нь тэр үед ашиглагдаагүй.
Олон жил, олон зууны турш философийн хөгжлийг зүгээр л хөгжилтэй тоглоом гэж үздэг. 1629 онд Италийн Д. Бранчи идэвхтэй турбин бүтээжээ. уур хүргэсэнирээр тоноглогдсон дискийг хөдөлгөөнд оруулах.
Тэр мөчөөс эхлэн уурын хөдөлгүүр хурдацтай хөгжиж эхэлсэн.
Дулааны хөдөлгүүр
Түлшний дотоод энергийг машин механизмын эд ангиудын хөдөлгөөний энерги болгон хувиргах аргыг дулааны хөдөлгүүрт ашигладаг.
Машины үндсэн хэсгүүд: халаагч (гаднаас эрчим хүч авах систем), ажлын шингэн (ашигтай үйлдэл хийдэг), хөргөгч.
Халаагч нь ажлын шингэнд ашигтай ажил гүйцэтгэхэд хангалттай дотоод энерги хуримтлагдсан байхаар хийгдсэн. Хөргөгч нь илүүдэл эрчим хүчийг гадагшлуулдаг.
Үр ашгийн гол шинж чанарыг дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг гэнэ. Энэ утга нь халаалтанд зарцуулсан эрчим хүчний ямар хэсгийг ашигтай ажил хийхэд зарцуулж байгааг харуулж байна. Үр ашиг өндөр байх тусмаа машиныг ажиллуулахад илүү ашигтай байх боловч энэ утга нь 100%-иас хэтэрч болохгүй.
Үр ашгийн коэффициентийн тооцоо
Халаагчийг гаднаас Q1-тэй тэнцэх эрчим хүч авна. Ажлын бие нь А ажлыг хийсэн бол хөргөгчинд өгсөн энерги Q2.
Тодорхойлолтод үндэслэн үр ашгийг тооцоол:
η=A / Q1. A=Q1 - Q2.
гэдгийг анхаарч үзээрэй.
Иймээс дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг, томьёо нь η=(Q1 - Q2)/ Q 1=1 - Q2/ Q1, нь дараах дүгнэлтийг гаргах боломжийг бидэнд олгоно:
- Үр ашиг нь 1 (эсвэл 100%)-аас хэтрэхгүй;
- энэ утгыг нэмэгдүүлэхийн тулд та аль нэгийг нь хийх ёстойхалаагчаас авах энергийг нэмэгдүүлэх, эсвэл хөргөгчинд өгөх энергийг багасгах;
- халаагчийн энергийг нэмэгдүүлэх нь түлшний чанарыг өөрчлөх замаар хийгддэг;
- хөргөгчинд өгөх энергийг багасгаснаар хөдөлгүүрүүдийн дизайны онцлогт хүрэх боломжийг олгоно.
Хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүр
Бүтээмж нь хамгийн их (хамгийн тохиромжтой - 100% -тай тэнцүү) ийм хөдөлгүүрийг бий болгох боломжтой юу? Францын онолын физикч, авъяаслаг инженер Сади Карно энэ асуултын хариултыг олохыг оролдсон. 1824 онд түүний хийд тохиолддог үйл явцын талаарх онолын тооцоог олон нийтэд ил болгосон.
Хамгийн тохиромжтой машины цаад санаа бол урвуу процессыг хамгийн тохиромжтой хийгээр гүйцэтгэх явдал юм. Бид T1 температурт хийн изотермоор тэлэлтээс эхэлдэг. Үүнд шаардагдах дулааны хэмжээ нь Q1. Дараа хий нь дулаан солилцоогүйгээр (адиабат процесс) тэлэх болно. Т2 температурт хүрсэний дараа хий нь изотермоор шахагдаж, Q2-г хөргөгчинд шилжүүлнэ. Хийн анхны төлөв рүү буцах нь адиабат юм.
Идеал Carnot дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь үнэн зөв тооцоолсон тохиолдолд халаах болон хөргөх төхөөрөмжийн хоорондох температурын зөрүүг халаагчийн температуртай харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна. Энэ нь иймэрхүү харагдаж байна: η=(T1 - T2)/ T1.
Дулааны хөдөлгүүрийн боломжит үр ашиг, томъёо нь: η=1 - Т2/ T 1 , зөвхөн үүнээс хамаарнахалаагч болон хөргөгчийн температур 100%-иас хэтэрч болохгүй.
Түүгээр ч зогсохгүй, энэ харьцаа нь хөргөгч үнэмлэхүй тэг температурт хүрэхэд л дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нэгдмэл байх боломжтой гэдгийг батлах боломжийг бидэнд олгодог. Энэ үнэ цэнэд хүрэх боломжгүй гэдгийг та мэдэж байгаа.
Карногийн онолын тооцоолол нь ямар ч загварын дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн их үр ашгийг тодорхойлох боломжтой.
Карногийн нотолсон теорем дараах байдалтай байна. Дурын дулааны хөдөлгүүр нь ямар ч тохиолдолд хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгаас илүү үр ашигтай байх боломжгүй.
Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ
Жишээ 1. Хэрэв халаагчийн температур 800оС, хөргөгчний температур 500о бол хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг ямар байх вэДоороос?
T1=800oC=1073 К, ∆T=500o C=500 K, η - ?
Шийдэл:
Тодорхойлолтоор: η=(T1 - T2)/ T1.
Бидэнд хөргөгчийн температурыг заагаагүй, гэхдээ ∆T=(T1 - T2), иймээс:
η=∆T / T1=500 K/1073 K=0, 46.
Хариулт: Үр ашиг=46%.
Жишээ 2. Худалдан авсан киложоуль халаагчийн энергийн улмаас 650 Ж ашигтай ажил хийгдсэн бол хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг тодорхойл. Хэрэв хөргөлтийн температур 400 К бол дулааны хөдөлгүүрийн халаагуур ямар температуртай байх вэ?
Q1 =1 кЖ=1000 Ж, A=650 Ж, T2=400 К, η - ?, T 1 =?
Шийдэл:
Энэ асуудалд бид дулааны суурилуулалтын тухай ярьж байгаа бөгөөд түүний үр ашгийг дараах томъёогоор тооцоолж болно:
η=A / Q1.
Халаагчийн температурыг тодорхойлохын тулд бид хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийн томъёог ашигладаг:
η=(T1 - T2)/ T1 =1 - T2/ T1.
Математик хувиргалт хийсний дараа бид дараахыг авна:
T1=T2 /(1- η).
T1=T2 /(1- A / Q1).
Тооцоо:
η=650 Ж/ 1000 Ж=0.65.
T1=400 К /(1- 650 Ж/ 1000 Ж)=1142.8 К.
Хариулт: η=65%, T1=1142, 8 К.
Бодит нөхцөл
Хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүр нь хамгийн тохиромжтой процессуудыг харгалзан бүтээгдсэн. Ажлыг зөвхөн изотерм процесст гүйцэтгэдэг бөгөөд түүний утгыг Карногийн мөчлөгийн графикаар хязгаарлагдсан талбайгаар тодорхойлно.
Үнэндээ температурын өөрчлөлтийг дагалдан хийлгүйгээр хийн төлөвийг өөрчлөх үйл явцыг бий болгох боломжгүй юм. Ойролцоох объектуудтай дулаан солилцоог үгүйсгэх материал байхгүй. Адиабат процесс цаашид боломжгүй болсон. Дулаан дамжуулалтын хувьд хийн температур зайлшгүй өөрчлөгдөх ёстой.
Бодит нөхцөлд бүтээгдсэн дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь хамгийн тохиромжтой хөдөлгүүрүүдийн үр ашгаас эрс ялгаатай. Бодит хөдөлгүүрт үйл явц маш хурдан байдаг тул өөрчлөлтүүд гардаг гэдгийг анхаарна ууЭзлэхүүнийг өөрчлөх явцад ажиллаж буй бодисын дотоод дулааны энергийг халаагчаас орж ирж буй дулааны урсгалаар нөхөж, хөргөгч рүү буцах боломжгүй.
Бусад дулааны хөдөлгүүр
Бодит хөдөлгүүрүүд өөр өөр циклээр ажилладаг:
- Отто мөчлөг: Тогтмол эзэлхүүнтэй үйл явц нь адиабатаар өөрчлөгдөж, хаалттай мөчлөг үүсгэдэг;
- Дизель цикл: изобар, адиабат, изохор, адиабат;
- хийн турбин: тогтмол даралтын процесс нь адиабат болж өөрчлөгддөг бөгөөд энэ нь мөчлөгийг хаадаг.
Орчин үеийн технологийн нөхцөлд бодит хөдөлгүүрт тэнцвэрийн процессыг бий болгох (тэдгээрийг хамгийн тохиромжтой байдалд ойртуулах) боломжгүй юм. Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь хамгийн тохиромжтой дулааны суурилуулалттай ижил температурын нөхцлийг харгалзан үзэхэд хамаагүй бага байдаг.
Гэхдээ Карногийн мөчлөгийн үр ашгийг тооцоолох томъёоны үүргийг бууруулж болохгүй, учир нь энэ томьёо нь жинхэнэ хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх ажлын эхлэлийн цэг болдог.
Үр ашгийг өөрчлөх арга замууд
Идэвхтэй болон бодит дулааны хөдөлгүүрүүдийг харьцуулахдаа сүүлийн үеийн хөргөгчний температур ямар ч байж болохгүй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Ихэвчлэн уур амьсгалыг хөргөгч гэж үздэг. Агаар мандлын температурыг зөвхөн ойролцоо тооцоогоор авч болно. Туршлагаас харахад хөргөлтийн температур нь дотоод шаталтат хөдөлгүүрт (богинохондоо ICE) байдаг шиг хөдөлгүүр дэх яндангийн хийн температуртай тэнцүү байдаг.
ICE бол манай дэлхий дээрх хамгийн түгээмэл дулааны хөдөлгүүр юм. дулааны үр ашигЭнэ тохиолдолд машин нь шатаж буй түлшний температураас хамаарна. Дотоод шаталтат хөдөлгүүр ба уурын хөдөлгүүрийн хоорондох чухал ялгаа нь агаарын түлшний хольц дахь халаагуур болон төхөөрөмжийн ажлын шингэнийг нэгтгэх явдал юм. Шатаж буй хольц нь хөдөлгүүрийн хөдөлгөөнт хэсгүүдэд даралт үүсгэдэг.
Ажлын хийн температурыг нэмэгдүүлэх нь түлшний шинж чанарыг мэдэгдэхүйц өөрчлөх замаар хийгддэг. Харамсалтай нь үүнийг тодорхойгүй хугацаагаар хийх боломжгүй юм. Хөдөлгүүрийн шаталтын камерыг хийсэн аливаа материал нь өөрийн хайлах цэгтэй байдаг. Ийм материалын халуунд тэсвэртэй байдал нь хөдөлгүүрийн гол шинж чанараас гадна үр ашигт ихээхэн нөлөөлөх чадвар юм.
Моторын үр ашгийн утгууд
Хэрэв бид уурын турбиныг авч үзвэл оролтын хэсэг дэх ажлын уурын температур 800 К, яндангийн хий нь 300 К бол энэ машины үр ашиг 62% байна. Бодит байдал дээр энэ үзүүлэлт 40% -иас хэтрэхгүй байна. Ийм бууралт нь турбины бүрхүүлийг халаах үед дулааны алдагдлаас үүдэлтэй.
Дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн хамгийн өндөр үр ашиг нь 44% -иас хэтрэхгүй. Энэ үнэ цэнийг нэмэгдүүлэх нь ойрын ирээдүйн асуудал юм. Материал, түлшний шинж чанарыг өөрчлөх нь хүн төрөлхтний шилдэг оюун ухаантуудын ажиллаж байгаа асуудал юм.
