Monityyppisten koneiden toiminnalle on ominaista niin tärkeä indikaattori kuin lämpökoneen hyötysuhde. Joka vuosi insinöörit pyrkivät luomaan kehittyneempiä laitteita, jotka pienemmillä polttoainekustannuksilla antaisivat maksimaalisen tuloksen käytöstä.
Lämpömoottorilaite
Ennen kuin ymmärrät, mitä tehokkuus on, on tarpeen ymmärtää, miten tämä mekanismi toimii. Ilman sen toiminnan periaatteita on mahdotonta selvittää tämän indikaattorin olemusta. Lämpökone on laite, joka toimii käyttämällä sisäistä energiaa. Jokainen lämpökone, joka muuttaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi, käyttää aineiden lämpölaajenemista lämpötilan noustessa. Solid-state-moottoreissa ei ole mahdollista muuttaa vain aineen määrää, vaan myös rungon muotoa. Tällaisen moottorin toiminta on termodynamiikan lakien alaista.
Toimintaperiaate
Lämpökoneen toiminnan ymmärtämiseksi on otettava huomioon perusasiathänen suunnittelunsa. Laitteen toimintaa varten tarvitaan kaksi runkoa: kuuma (lämmitin) ja kylmä (jääkaappi, jäähdytin). Lämpömoottorien toimintaperiaate (lämpömoottorien hyötysuhde) riippuu niiden tyypistä. Usein höyrylauhdutin toimii jääkaapina, ja mikä tahansa uunissa palava polttoaine toimii lämmittimenä. Ihanteellisen lämpömoottorin hyötysuhde saadaan seuraavalla kaavalla:
Tehokkuus=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
Samaan aikaan oikean moottorin hyötysuhde ei voi koskaan ylittää tämän kaavan mukaan saatua arvoa. Tämä indikaattori ei myöskään koskaan ylitä yllä olevaa arvoa. Tehokkuuden lisäämiseksi nosta useimmiten lämmittimen lämpötilaa ja alenna jääkaapin lämpötilaa. Molempia näitä prosesseja rajoittavat laitteen todelliset käyttöolosuhteet.
Lämpömoottorin hyötysuhde (kaava)
Lämpökoneen toiminnan aikana tehdään töitä, kun kaasu alkaa menettää energiaa ja jäähtyy tiettyyn lämpötilaan. Jälkimmäinen on yleensä muutaman asteen ympäröivän ilmakehän yläpuolella. Tämä on jääkaapin lämpötila. Tällainen erityinen laite on suunniteltu jäähdyttämiseen ja sitä seuraavaan poistohöyryn tiivistymiseen. Jos kondensaattoreita on, jääkaapin lämpötila on joskus alhaisempi kuin ympäristön lämpötila.
Lämpökoneessa keho ei kuumennettaessa ja laajennettaessa pysty antamaan kaikkea sisäistä energiaansa työhön. Osa lämmöstä siirtyy jääkaappiin pakokaasujen tai höyryn mukana. Tämä osasisäinen lämpöenergia menetetään väistämättä. Polttoaineen palamisen aikana työkappale saa tietyn määrän lämpöä Q1 lämmittimestä. Samalla se toimii edelleen A, jonka aikana se siirtää osan lämpöenergiasta jääkaappiin: Q2<Q1.
TEHOkkuus kuvaa moottorin tehokkuutta energian muuntamisen ja voimansiirron alalla. Tämä indikaattori mitataan usein prosentteina. Tehokkuuskaava:
ηA/Qx100%, missä Q on käytetty energia, A on hyödyllinen työ.
Energian säilymislain perusteella voimme päätellä, että hyötysuhde on aina pienempi kuin yksi. Toisin sanoen, ei koskaan tule olemaan hyödyllisempää työtä kuin siihen käytetty energia.
Moottorin hyötysuhde on hyödyllisen työn suhde lämmittimen toimittamaan energiaan. Se voidaan esittää seuraavalla kaavalla:
η=(Q1-Q2)/ Q1, missä Q 1 - lämpö vastaanotettu lämmittimestä, ja Q2 - jääkaapille annettu.
Lämpömoottorin toiminta
Lämpökoneen tekemä työ lasketaan seuraavalla kaavalla:
A=|QH| - |QX|, jossa A on työ, QH on lämmittimestä vastaanotetun lämmön määrä, QX - jäähdyttimelle annettu lämmön määrä.
Lämpömoottorin hyötysuhde (kaava):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Se on yhtä suuri kuin moottorin tekemän työn suhde työmääräänlämpöä. Osa lämpöenergiasta menetetään tämän siirron aikana.
Carnot-moottori
Lämpökoneen maksimihyötysuhde on merkitty Carnot-laitteeseen. Tämä johtuu siitä, että tässä järjestelmässä se riippuu vain lämmittimen (Тн) ja jäähdyttimen (Тх) absoluuttisesta lämpötilasta. Carnot-syklin mukaan toimivan lämpökoneen hyötysuhde määritetään seuraavalla kaavalla:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Termodynamiikan lait antoivat meille mahdollisuuden laskea suurin mahdollinen hyötysuhde. Ensimmäistä kertaa tämän indikaattorin laski ranskalainen tiedemies ja insinööri Sadi Carnot. Hän keksi lämpömoottorin, joka käytti ihanteellisella kaasulla. Se toimii 2 isotermin ja 2 adiabaatin syklillä. Sen toimintaperiaate on melko yksinkertainen: astiaan tuodaan lämmitinkontakti kaasulla, minkä seurauksena käyttöneste laajenee isotermisesti. Samalla se toimii ja vastaanottaa tietyn määrän lämpöä. Kun astia on lämpöeristetty. Tästä huolimatta kaasu jatkaa laajentumistaan, mutta jo adiabaattisesti (ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa). Tällä hetkellä sen lämpötila laskee jääkaappiin. Tällä hetkellä kaasu on kosketuksessa jääkaapin kanssa, minkä seurauksena se antaa sille tietyn määrän lämpöä isometrisen puristuksen aikana. Sitten astia lämpöeristetään uudelleen. Tässä tapauksessa kaasu puristetaan adiabaattisesti alkuperäiseen tilavuuteensa ja tilaansa.
Lajikkeet
Meidän aikanamme on olemassa monenlaisia lämpömoottoreita, jotka toimivat eri periaatteilla ja eri polttoaineilla. Niillä kaikilla on oma tehokkuutensa. Nämä sisältävätseuraavat:
• Polttomoottori (mäntä), joka on mekanismi, jossa osa palavan polttoaineen kemiallisesta energiasta muunnetaan mekaaniseksi energiaksi. Tällaiset laitteet voivat olla kaasuja ja nestemäisiä. On 2- ja 4-tahtimoottoreita. Niillä voi olla jatkuva käyttöjakso. Polttoaineseoksen valmistusmenetelmän mukaan tällaisia moottoreita ovat kaasutin (ulkoisella seoksen muodostuksella) ja diesel (sisäisellä). Energianmuuntimen tyyppien mukaan ne jaetaan mäntä-, suihku-, turbiini- ja yhdistettyihin. Tällaisten koneiden hyötysuhde ei ylitä 0,5.
• Stirling-moottori - laite, jossa käyttöneste on suljetussa tilassa. Se on eräänlainen ulkopolttomoottori. Sen toimintaperiaate perustuu kehon jaksoittaiseen jäähdyttämiseen/kuumenemiseen energian tuotannossa sen tilavuuden muutoksesta johtuen. Se on yksi tehokkaimmista moottoreista.
• Turbiini (pyörivä) moottori polttoaineen ulkopoltolla. Tällaisia asennuksia löytyy useimmiten lämpövoimalaitoksista.
• Turbiini (pyörivä) ICE käytetään lämpövoimalaitoksissa huipputilassa. Ei niin yleinen kuin muut.
• Potkuriturbiinimoottori tuottaa osan potkurin aiheuttamasta työntövoimasta. Loput tulee pakokaasuista. Sen rakenne on pyörivä moottori (kaasuturbiini), jonka akselille on asennettu potkuri.
Muut lämpömoottorit
• Raketti-, suihkuturbiini- ja suihkumoottorit, jotka saavat työntövoiman rekyylistäpakokaasut.
• Puolijohdemoottorit käyttävät kiinteitä aineita polttoaineena. Työskentelyssä sen tilavuus ei muutu, vaan sen muoto. Laitteen toiminnassa käytetään erittäin pientä lämpötilaeroa.
Tehokkuuden parantaminen
Voidaanko lämpömoottorin tehokkuutta lisätä? Vastausta on etsittävä termodynamiikasta. Se tutkii erilaisten energiatyyppien keskinäisiä muunnoksia. On todettu, että kaikkea saatavilla olevaa lämpöenergiaa on mahdotonta muuttaa sähköiseksi, mekaaniseksi jne. Samalla niiden muuntaminen lämpöenergiaksi tapahtuu ilman rajoituksia. Tämä on mahdollista johtuen siitä, että lämpöenergian luonne perustuu hiukkasten häiriöttömään (kaaoottiseen) liikkeeseen.
Mitä enemmän keho lämpenee, sitä nopeammin sen muodostavat molekyylit liikkuvat. Hiukkasten liikkeestä tulee entistä epäsäännöllisempää. Tämän lisäksi kaikki tietävät, että järjestys voidaan helposti muuttaa kaaokseksi, jota on erittäin vaikea tilata.
