הפעולה של סוגים רבים של מכונות מאופיינת במדד כה חשוב כמו היעילות של מנוע חום. מדי שנה, מהנדסים שואפים ליצור ציוד מתקדם יותר, בעלויות דלק נמוכות יותר, ייתן את התוצאה המקסימלית מהשימוש בו.
מכשיר מנוע חום
לפני שמבינים מהי יעילות, יש צורך להבין כיצד המנגנון הזה עובד. מבלי לדעת את עקרונות פעולתו, אי אפשר לגלות את המהות של אינדיקטור זה. מנוע חום הוא מכשיר שעובד על ידי שימוש באנרגיה פנימית. כל מנוע חום הממיר אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית משתמש בהתפשטות תרמית של חומרים עם עליית הטמפרטורה. במנועי מצב מוצק אפשר לשנות לא רק את נפח החומר, אלא גם את צורת הגוף. פעולתו של מנוע כזה כפופה לחוקי התרמודינמיקה.
עקרון ההפעלה
כדי להבין כיצד פועל מנוע חום, יש צורך לשקול את היסודותהעיצובים שלו. להפעלת המכשיר יש צורך בשני גופים: חם (מחמם) וקר (מקרר, צידנית). עקרון הפעולה של מנועי חום (היעילות של מנועי חום) תלוי בסוגם. לעתים קרובות, מעבה הקיטור משמש כמקרר, וכל סוג של דלק שנשרף בכבשן משמש כמחמם. היעילות של מנוע חום אידיאלי נמצא בנוסחה הבאה:
Efficiency=(Theating - קירור)/ Theating. x 100%.
יחד עם זאת, היעילות של מנוע אמיתי לעולם לא יכולה לחרוג מהערך המתקבל לפי נוסחה זו. כמו כן, מחוון זה לעולם לא יעלה על הערך הנ ל. כדי להגביר את היעילות, לרוב להעלות את טמפרטורת המחמם ולהפחית את טמפרטורת המקרר. שני התהליכים הללו יוגבלו על ידי תנאי ההפעלה בפועל של הציוד.
יעילות מנוע חום (נוסחה)
במהלך פעולת מנוע חום מתבצעת עבודה, כשהגז מתחיל לאבד אנרגיה ומתקרר לטמפרטורה מסוימת. האחרון נמצא בדרך כלל כמה מעלות מעל האטמוספרה שמסביב. זו טמפרטורת המקרר. מכשיר מיוחד כזה מיועד לקירור עם עיבוי לאחר מכן של קיטור הפליטה. כאשר קיימים מעבים, טמפרטורת המקרר נמוכה לפעמים מטמפרטורת הסביבה.
במנוע חום, הגוף, כאשר הוא מחומם ומתרחב, אינו מסוגל לתת את כל האנרגיה הפנימית שלו כדי לבצע עבודה. חלק מהחום יועבר למקרר יחד עם גזי פליטה או קיטור. החלק הזהאנרגיה פנימית תרמית אובדת בהכרח. במהלך שריפת הדלק, הגוף הפועל מקבל כמות מסוימת של חום Q1 מהמחמם. יחד עם זאת, הוא עדיין עושה עבודה A, שבמהלכה הוא מעביר חלק מהאנרגיה התרמית למקרר: Q2<Q1.
EFFICIENCY מאפיינת את יעילות המנוע בתחום המרת האנרגיה וההעברה. אינדיקטור זה נמדד לעתים קרובות באחוזים. נוסחת יעילות:
ηA/Qx100%, כאשר Q היא האנרגיה המושקעת, A היא העבודה השימושית.
בהתבסס על חוק שימור האנרגיה, אנו יכולים להסיק שהיעילות תהיה תמיד פחות מאחת. במילים אחרות, לעולם לא תהיה עבודה מועילה יותר מהאנרגיה המושקעת בה.
יעילות המנוע היא היחס בין עבודה שימושית לאנרגיה שמספקת המחמם. ניתן לייצג אותו בנוסחה הבאה:
η=(Q1-Q2)/ Q1, שבו Q 1 - חום המתקבל מהמחמם, ו-Q2 - ניתן למקרר.
פעולת מנוע חום
העבודה שנעשתה על ידי מנוע חום מחושבת באמצעות הנוסחה הבאה:
A=|QH| - |QX|, כאשר A הוא עבודה, QH היא כמות החום המתקבל מהמחמם, QX - כמות החום שניתנת לצידנית.
יעילות מנוע חום (נוסחה):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
זה שווה ליחס בין העבודה שעשה המנוע לכמות שלחוֹם. חלק מהאנרגיה התרמית אובד במהלך העברה זו.
מנוע קארנו
היעילות המקסימלית של מנוע חום מצוינת במכשיר Carnot. זאת בשל העובדה שבמערכת זו זה תלוי רק בטמפרטורה המוחלטת של המחמם (Тн) והקרר (Тх). היעילות של מנוע חום הפועל על פי מחזור קרנו נקבעת על ידי הנוסחה הבאה:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
חוקי התרמודינמיקה אפשרו לנו לחשב את היעילות המקסימלית האפשרית. בפעם הראשונה מחוון זה חושב על ידי המדען והמהנדס הצרפתי סאדי קרנו. הוא המציא מנוע חום שפעל על גז אידיאלי. זה עובד על מחזור של 2 איזותרמיות ו-2 אדיאבטים. עקרון הפעולה שלו הוא די פשוט: מגע מחמם מובא אל הכלי עם גז, וכתוצאה מכך נוזל העבודה מתרחב איזותרמית. במקביל, הוא מתפקד ומקבל כמות מסוימת של חום. לאחר שהכלי מבודד תרמית. למרות זאת, הגז ממשיך להתרחב, אך כבר באופן אדיאבטי (ללא חילופי חום עם הסביבה). בשלב זה, הטמפרטורה שלו יורדת למקרר. ברגע זה הגז נמצא במגע עם המקרר, וכתוצאה מכך הוא נותן לו כמות מסוימת של חום במהלך דחיסה איזומטרית. אז הכלי מבודד תרמית שוב. במקרה זה, הגז נדחס בצורה אדיאבטית לנפח ולמצבו המקוריים.
זנים
בתקופתנו ישנם סוגים רבים של מנועי חום הפועלים על עקרונות שונים ועל דלקים שונים. לכולם יש יעילות משלהם. אלו כולליםהבא:
• מנוע בעירה פנימית (בוכנה), שהוא מנגנון שבו חלק מהאנרגיה הכימית של הדלק הבוער מומרת לאנרגיה מכנית. מכשירים כאלה יכולים להיות גז ונוזל. ישנם מנועי 2 פעימות ו-4 פעימות. ייתכן שיש להם מחזור עבודה מתמשך. על פי שיטת הכנת תערובת דלק, מנועים כאלה הם קרבורטור (עם היווצרות תערובת חיצונית) ודיזל (עם פנימי). על פי סוגי ממיר האנרגיה, הם מחולקים לבוכנה, סילון, טורבינה, בשילוב. היעילות של מכונות כאלה אינה עולה על 0.5.
• מנוע סטירלינג - מכשיר שבו נוזל העבודה נמצא בחלל סגור. זהו סוג של מנוע בעירה חיצונית. עקרון פעולתו מבוסס על קירור/חימום תקופתי של הגוף עם הפקת אנרגיה עקב שינוי בנפחו. זהו אחד המנועים היעילים ביותר.
• מנוע טורבינה (סיבובי) עם בעירה חיצונית של דלק. מתקנים כאלה נמצאים לרוב בתחנות כוח תרמיות.
• טורבינה (סיבובית) ICE משמשת בתחנות כוח תרמיות במצב שיא. לא נפוץ כמו אחרים.
• מנוע טורבו-פרופ מייצר חלק מהדחף עקב המדחף. השאר מגיע מגזי פליטה. עיצובו הוא מנוע סיבובי (טורבינת גז), שעל הפיר שלו מותקן מדחף.
סוגים אחרים של מנועי חום
• מנועי רקטות, טורבו וסילונים שמקבלים דחף מרתיעהגזי פליטה.
• מנועי מצב מוצק משתמשים במוצקים כדלק. בעבודה לא הנפח שלו משתנה אלא הצורה שלו. פעולת הציוד משתמשת בהפרש טמפרטורה נמוך במיוחד.
איך לשפר את היעילות
האם אפשר להגביר את היעילות של מנוע חום? את התשובה יש לחפש בתרמודינמיקה. הוא בוחן את התמורות ההדדיות של סוגי אנרגיה שונים. הוכח שאי אפשר להמיר את כל האנרגיה התרמית הזמינה לחשמל, מכאני וכו'. במקביל, ההמרה שלהם לאנרגיה תרמית מתרחשת ללא כל הגבלה. זה אפשרי בשל העובדה שאופי האנרגיה התרמית מבוסס על תנועה לא מסודרת (כאוטי) של חלקיקים.
ככל שהגוף יתחמם יותר, כך המולקולות המרכיבות אותו ינועו מהר יותר. תנועת החלקיקים תהפוך לא סדירה עוד יותר. יחד עם זה, כולם יודעים שאפשר בקלות להפוך סדר לכאוס, שקשה מאוד להזמין.
