Die Notwendigkeit, mechanische Energie in der Produktion einzusetzen, führte zum Aufkommen von Wärmekraftmaschinen.
Konstruktion von Wärmekraftmaschinen
Wärmekraftmaschine (Wärmekraftmaschine) - ein Gerät zur Umwandlung von innerer Energie in mechanische Energie.
Jede Wärmekraftmaschine hat eine Heizung, ein Arbeitsmedium (Gas oder Dampf), das durch Erwärmung Arbeit verrichtet (Turbinenwelle dreht, Kolben bewegt usw.) und einen Kühlschrank. Die folgende Abbildung zeigt ein Diagramm einer Wärmekraftmaschine.
Grundlagen der Wärmekraftmaschine
Jede Wärmekraftmaschine funktioniert dank des Motors. Um die Arbeit zu erledigen, benötigt er eine Druckdifferenz auf beiden Seiten des Motorkolbens oder der Turbinenschaufeln. Dieser Unterschied wird bei allen Wärmekraftmaschinen wie folgt erreicht: Die Temperatur des Arbeitsmediums steigt im Vergleich zur Umgebungstemperatur um Hunderte oder Tausende Grad an. In Gasturbinen und in Verbrennungsmotoren (ICEs) steigt die Temperatur, da der Kraftstoff im Inneren des Motors selbst verbrennt. Der Kühlschrank kann eine Atmosphäre oder ein spezielles Gerät zum Kondensieren und Kühlen von Abdampf sein.
Carnot-Zyklus
Zyklus (Kreisprozess) - eine Reihe von Zustandsänderungen des Gases, wodurch es in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt (es kann arbeiten). 1824 zeigte der französische Physiker Sadi Carnot, dass der Wärmekraftmaschinenkreislauf (Carnot-Zyklus), der aus zwei Prozessen besteht, isotherm und adiabat, vorteilhaft ist. Die folgende Abbildung zeigt ein Diagramm des Carnot-Zyklus: 1-2 und 3-4 sind Isothermen, 2-3 und 4-1 sind Adiabaten.
In Übereinstimmung mit dem Energieerh altungssatz beträgt die vom Motor geleistete Arbeit von Wärmekraftmaschinen:
À=Q1– Q2, wobei Q1 die Wärmemenge ist, die von der Heizung empfangen wird, und Q2 die Wärmemenge ist, die an den Kühlschrank geliefert wird. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der vom Motor verrichteten Arbeit A zur vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge:
η=A/Q=(Q1– Q2)/Q1 =1 - Q2/Q1.
In dem Werk „Gedanken über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die imstande sind, diese Kraft zu entwickeln“(1824) beschrieb Carnot eine Wärmekraftmaschine namens „eine ideale Wärmekraftmaschine mit einem idealen Gas, das a Arbeitsflüssigkeit. Dank der Gesetze der Thermodynamik ist es möglich, den Wirkungsgrad (maximal möglich) einer Wärmekraftmaschine mit einer Heizung zu berechnen, die hatTemperatur T1 und einen Kühlschrank mit Temperatur T2. Die Wärmekraftmaschine von Carnot hat einen Wirkungsgrad:
ηmax=(T1 – T2)/T 1=1 – T2/T1.
Sadi Carnot hat bewiesen, dass jede Wärmekraftmaschine real ist, die mit einer Heizung mit einer Temperatur von T1 und einem Kühlschrank mit einer Temperatur von T2 arbeitet ist nicht in der Lage, einen Wirkungsgrad zu erreichen, der den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (ideal) übersteigen würde.
Verbrennungsmotor (ICE)
Ein Viertakt-Verbrennungsmotor besteht aus einem oder mehreren Zylindern, Kolben, Kurbeltrieb, Ein- und Auslassventilen, Kerzen.
Der Arbeitszyklus besteht aus vier Zyklen:
1) Ansaugen - das brennbare Gemisch tritt durch das Ventil in den Zylinder ein;
2) Kompression - beide Ventile sind geschlossen;
3) Arbeitstakt - explosionsartige Verbrennung des brennbaren Gemisches;
4) Auspuff - die Freisetzung von Abgasen in die Atmosphäre.
Dampfturbine
In einer Dampfturbine wird Energie aufgrund des Druckunterschieds von Wasserdampf am Ein- und Ausgang umgewandelt.
Die Leistung moderner Dampfturbinen erreicht 1300 MW.
Einige technische Parameter einer 1200-MW-Dampfturbine
- Dampfdruck (frisch) - 23,5 MPa.
- Dampftemperatur - 540 °C.
- Turbinendampfverbrauch - 3600 t/h.
- Rotordrehzahl - 3000 U/min.
- Der Dampfdruck im Kondensator beträgt 3,6 kPa.
- Turbinenlänge - 47,9 m.
- Turbinengewicht - 1900 t.
Die Wärmekraftmaschine besteht aus einem Luftkompressor, einer Brennkammer und einer Gasturbine. Funktionsprinzip: Luft wird adiabatisch in den Kompressor gesaugt, sodass ihre Temperatur auf 200 ° C oder mehr ansteigt. Dann tritt die komprimierte Luft in die Brennkammer ein, wo gleichzeitig flüssiger Brennstoff - Kerosin, Photogen, Heizöl - unter hohem Druck eintritt. Wenn Kraftstoff verbrannt wird, erwärmt sich die Luft auf eine Temperatur von 1500-2000 ° C, dehnt sich aus und ihre Geschwindigkeit nimmt zu. Die Luft bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit und die Verbrennungsprodukte werden zur Turbine geleitet. Nach dem Übergang von Stufe zu Stufe geben die Verbrennungsprodukte ihre kinetische Energie an die Turbinenschaufeln ab. Ein Teil der von der Turbine aufgenommenen Energie fließt in die Rotation des Kompressors; der Rest wird für die Drehung des Rotors des elektrischen Generators, des Propellers eines Flugzeugs oder Seeschiffs, der Räder eines Autos aufgewendet.
Eine Gasturbine kann nicht nur die Räder eines Autos und die Propeller eines Flugzeugs oder Schiffs drehen, sondern auch als Düsentriebwerk verwendet werden. Luft und Verbrennungsprodukte werden mit hoher Geschwindigkeit aus der Gasturbine ausgestoßen, sodass der während dieses Prozesses auftretende Strahlschub zum Antrieb von Luft- (Flugzeug) und Wasserschiffen (Schiffen) sowie für den Schienenverkehr genutzt werden kann. Zum Beispiel haben An-24, An-124 ("Ruslan"), An-225 ("Dream") Flugzeuge Turboprop-Triebwerke. So kann "Dream" bei einer Fluggeschwindigkeit von 700-850 km / h 250 Tonnen Fracht über eine Entfernung von fast 15.000 km transportieren. Es ist das größte Transportflugzeug der Welt.
Umweltprobleme von Wärmekraftmaschinen
Hat einen großen Einfluss auf das Klimader Zustand der Atmosphäre, insbesondere das Vorhandensein von Kohlendioxid und Wasserdampf. So führt eine Änderung des Kohlendioxidgeh alts zu einer Zunahme oder Abnahme des Treibhauseffekts, bei dem Kohlendioxid die Wärme, die die Erde in den Weltraum abstrahlt, teilweise absorbiert, in der Atmosphäre zurückhält und dadurch die Temperatur der Oberfläche erhöht und unteren Schichten der Atmosphäre. Beim Klimaschutz spielt das Phänomen des Treibhauseffekts eine entscheidende Rolle. Ohne seine Abwesenheit wäre die Durchschnittstemperatur des Planeten nicht +15 °С, sondern um 30-40 °С niedriger.
Nun gibt es weltweit mehr als 300 Millionen verschiedene Autotypen, die mehr als die Hälfte aller Luftverschmutzung verursachen.
Für 1 Jahr werden 150 Millionen Tonnen Schwefeloxide, 50 Millionen Tonnen Stickoxide, 50 Millionen Tonnen Asche, 200 Millionen Tonnen Kohlenmonoxid, 3 Millionen Tonnen Pheon aus thermischen Kraftwerken in die Atmosphäre freigesetzt als Ergebnis der Kraftstoffverbrennung.
Die Atmosphäre enthält Ozon, das alles Leben auf der Erde vor den schädlichen Auswirkungen ultravioletter Strahlen schützt. 1982 entdeckte der englische Forscher J. Farman ein Ozonloch über der Antarktis - eine vorübergehende Abnahme des Ozongeh alts in der Atmosphäre. Zum Zeitpunkt der maximalen Entwicklung des Ozonlochs am 7. Oktober 1987 nahm die darin enth altene Ozonmenge um das Zweifache ab. Das Ozonloch entstand wahrscheinlich durch anthropogene Faktoren, einschließlich der Verwendung von chlorh altigen Freonen (Freonen) in der Industrie, die die Ozonschicht zerstören. Allerdings Forschung in den 1990er Jahren unterstützte diese Ansicht nicht. Höchstwahrscheinlich ein Ozonlochist nicht mit menschlicher Aktivität verbunden und ist ein natürlicher Prozess. 1992 wurde auch über der Arktis ein Ozonloch entdeckt.
Wenn das gesamte atmosphärische Ozon in einer Schicht nahe der Erdoberfläche gesammelt und bei normalem atmosphärischem Druck und einer Temperatur von 0 °C auf die Dichte von Luft verdickt wird, dann beträgt die Dicke des Ozonschilds nur 2-3 hm! Das ist der ganze Schild.
Ein bisschen Geschichte…
- Juli 1769. Der Militäringenieur N. J. Kunyo fuhr mehrere Dutzend Meter im Meudon-Park in Paris auf einem „Feuerwagen“, der mit einer Zweizylinder-Dampfmaschine ausgestattet war.
- 1885. Karl Benz, ein deutscher Ingenieur, baute den ersten Benzin-Viertakt-Dreirad-Motorwagen mit einer Leistung von 0,66 kW, für den er am 29. Januar 1886 ein Patent erhielt. Die Geschwindigkeit des Autos erreichte 15-18 km/h.
- 1891. Gottlieb Daimler, ein deutscher Erfinder, baute aus einem Personenwagen einen Lastwagen mit einem 2,9-kW-Motor (4 PS). Die Höchstgeschwindigkeit des Autos erreichte 10 km / h, die Tragfähigkeit in verschiedenen Modellen reichte von 2 bis 5 Tonnen.
- 1899. Der Belgier C. Zhenatzi überschritt mit seinem Auto „James Contint“(„Immer unzufrieden“) erstmals die 100-Kilometer-Geschwindigkeitsbegrenzung.
Beispiele zur Problemlösung
Aufgabe 1. Eine ideale Wärmekraftmaschine hat eine Heizungstemperatur von 2000 K und eine Kühlschranktemperatur von 100 °C. Effizienz bestimmen.
Lösung:
Die Formel, die den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine bestimmt (maximal):
ŋ=T1-T2/T1.
ŋ=(2000K - 373K) / 2000 K=0,81.
Antwort: Der Motorwirkungsgrad beträgt 81 %.
Aufgabe 2. 200 kJ Wärme wurden während der Kraftstoffverbrennung in der Wärmekraftmaschine empfangen und 120 kJ Wärme wurden an den Kühlschrank übertragen. Wie hoch ist der Motorwirkungsgrad?
Lösung:
Die Formel zur Bestimmung des Wirkungsgrades lautet wie folgt:
ŋ=Q1 - Q2 / Q1.
ŋ=(2 105 J - 1, 2 105 J) / 2 105 J=0, 4.
Antwort: Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine beträgt 40 %.
Aufgabe 3. Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, wenn das Arbeitsmedium, nachdem es 1,6 MJ Wärme von der Heizung erh alten hat, 400 leistet kJ Arbeit? Wie viel Wärme wurde auf den Kühlschrank übertragen?
Lösung:
Wirkungsgrad lässt sich über die Formel ermitteln
ŋ=A / Q1.
ŋ=0.4 106 J / 1.6 106 J=0.25.
Die an den Kühlschrank abgegebene Wärmemenge kann mit der Formel ermittelt werden
Q1 - A=Q2.
Q2=1,6 106 J - 0,4 106 J=1,2 106J. Antwort: Eine Wärmekraftmaschine hat einen Wirkungsgrad von 25 %; die an den Kühlschrank übertragene Wärmemenge beträgt 1,2 10
6 J.
