Šiluminis variklis: apibrėžimas, tipai ir veikimo principai
Inžinerijoje ir termodinamikoje šilumos variklis šilumos energiją paverčia mechaniniu darbu, naudodamas temperatūrų skirtumą tarp karšto "šaltinio" ir šalto "kriauklės". Šiluma perduodama iš šaltinio per variklio "darbinį korpusą" į "kriauklę", o šio proceso metu dalis šilumos virsta darbu, panaudojant variklyje esančių dujų ar skysčio savybes.
Yra daug šilumos variklių rūšių. Kiekvienas jų turi termodinaminį ciklą. Šiluminiai varikliai dažnai pavadinami pagal juose naudojamą termodinaminį ciklą, pavyzdžiui, Karno ciklas. Jie dažnai pasirenka kasdienius pavadinimus, pavyzdžiui, benzininiai / benzininiai, turbininiai arba garo varikliai.
Vidaus degimo varikliuose šiluma susidaro pačiame variklyje. Kiti šiluminiai varikliai gali absorbuoti šilumą iš išorinio šaltinio. Šiluminiai varikliai gali būti atviri orui arba sandarūs ir uždari nuo išorės (tai vadinama atviru arba uždaru ciklu).
Veikimo principas trumpai
Šiluminio variklio pagrindas – termodinaminių procesų seka (pakėlimas ir atleidimas slėgio/temperatūros), kuri leidžia darbinės medžiagos (dujų ar skysčio) energiją paversti mechanišku judesiu. Pagrindiniai žingsniai yra:
- šilumos priėmimas iš karšto šaltinio;
- dalis priimtos šilumos virsta mechaniniu darbu (pvz., stūmokliui stumiant arba turbinos mentims suktis);
- likusi šiluma pašalinama į šaltąją kriauklę;
- darbinė medžiaga atkuria pradinę būseną ir ciklas kartojasi.
Pagrindiniai šiluminių variklių tipai
- Vidaus degimo varikliai (benzininiai, dyzeliniai) – degimo procesas vyksta variklio viduje; dažnai naudojami automobiliuose ir kitame transporte.
- Garo varikliai (Rankine ciklas) – darbinė terpė yra garas; naudojami elektrinėse su garo turbinais ir pramonėje.
- Dujos turbinos (Brayton arba Joule ciklas) – veikiančios aukštos temperatūros dujos suka turbinas; taikymas – elektros gamyba, reaktyviniai varikliai.
- Stirlingo variklis – uždaro ciklo variklis, kur darbinė terpė šildoma ir aušinama išoriniame šaltinyje; pasižymi tylumu ir galimu aukštu efektyvumu žemesnėmis apkrovomis.
- Rankine–Stirling ir kiti deriniai – regeneracinės arba atstatomosios schemos, skirtos efektyvumo didinimui ar specifiniams atvejams (pvz., kogeneracija).
Termodinaminiai ciklai ir efektyvumas
Dažnai skiriami idealūs ciklai: Karno, Otto, Diesel, Brayton, Rankine. Idealaus Karno ciklo šiluminis efektyvumas yra teorinis maksimumas tarp dviejų temperatūrų ir skaičiuojamas formule:
eta = 1 - T_c / T_h (temperatūros Kelvinais). Tai reiškia, kad net idealiose sąlygose efektyvumas priklauso tik nuo karštojo ir šaltojo rezervuarų temperatūrų — kuo didesnis skirtumas, tuo didesnis įmanomas efektyvumas.
Realūs varikliai turi papildomų nuostolių: trintis, šilumos nuostoliai per šilumokaičius, degimo netobulumai, netolygus darbinių terpės srautas ir pan., todėl realus efektyvumas yra mažesnis už idealų.
Atviri ir uždari ciklai
Atviro ciklo varikliuose darbinė terpė pakeičiama tarp įleidimo ir išmetimo (pvz., vidaus degimo variklis). Uždari ciklai naudoja uždarą darbinės terpės apyvartą per šilumokaičius (pvz., Stirlingo variklis, kai kurios hidrotermalinių stotelių konfigūracijos).
Naudojimas ir praktiniai pavyzdžiai
- Transportas: automobilių, sunkvežimių, laivų vidaus degimo varikliai;
- Energetika: garo ir dujų turbinos elektrinėse;
- Pramonė: mechaniniai varikliai, kuriems reikalingas didelis momentas ar aukšta galia;
- Šilumos atkūrimas: kogeneracijos (CHP) įrenginiai, kurie gamina elektros energiją ir šilumą pastatų šildymui;
- Specializuoti prietaisai: kosminiai varikliai, mikrovarikliai ir laboratoriniai Stirlingo įrenginiai.
Aplinkosauga ir tobulinimo kryptys
Siekiant mažinti teršalų išmetimą ir padidinti efektyvumą, taikomi keli sprendimai:
- degimo procesų optimizavimas ir išmetamųjų dujų valymas;
- šilumos atgavimas (rekuperacija) iš išmetamųjų dujų;
- perėjimas prie švaresnių degalų arba elektrinių variklių hibridizuojant sistemas;
- modernios medžiagos ir aukštos temperatūros medžiagos, leidžiančios veikti aukštesnėse temperatūrose su didesniu efektyvumu.
Trumpa santrauka
Šiluminiai varikliai yra esminė technikos dalis, leidžianti paversti šilumą mechaniniu darbu. Jų įvairovė ir taikymas labai platus: nuo automobilių variklių iki elektros gamybos stočių. Efektyvumas ribojamas termodinamikos dėsnių ir realių nuostolių, todėl inžinieriai ieško sprendimų, kaip sumažinti nuostolius bei sumažinti poveikį aplinkai.
1 paveikslas: Šilumos variklio schema. TH yra šilumos šaltinis, o TC - šalčio kriauklė. QH yra į variklį tekanti šiluma. QC yra į šaltąjį radiatorių patenkanti atliekinė šiluma. W - naudingasis darbas, išeinantis iš variklio.
Apžvalga
Mokslininkai, tyrinėdami šiluminius variklius, pateikia idėjų varikliams, kurių iš tikrųjų neįmanoma sukurti. Jie vadinami idealiaisiais varikliais arba ciklais. Tikrieji šiluminiai varikliai dažnai painiojami su idealiais varikliais ar ciklais, kuriuos bandoma imituoti.
Apibūdinant fizinį įrenginį paprastai vartojama sąvoka "variklis". Apibūdinant idealą vartojamas terminas "ciklas".
Galima sakyti, kad termodinaminis ciklas yra idealus mechaninio variklio atvejis. Lygiai taip pat galima sakyti, kad modelis ne visai idealiai atitinka mechaninį variklį. Vis dėlto daug naudos duoda supaprastinti modeliai ir idealūs atvejai, kuriuos jie gali atspindėti.
Apskritai kuo didesnis temperatūrų skirtumas tarp karšto šaltinio ir šalto kriauklės, tuo efektyvesnis ciklas arba variklis. Žemėje bet kokio šilumos variklio šaltoji pusė apsiriboja oro temperatūra toje vietoje, kur yra variklis.
Daugiausia pastangų šilumos variklių efektyvumui didinti dedama didinant šilumos šaltinio temperatūrą, tačiau esant labai aukštai temperatūrai variklio metalas pradeda minkštėti.
Įvairių šiandien siūlomų ar naudojamų šilumos variklių efektyvumas svyruoja nuo 3 proc. (97 proc. atliekinės šilumos) OTEC vandenyno jėgainės pasiūlyme, 25 proc. daugumoje automobilių variklių, 45 proc. superkritinės anglies jėgainėje iki maždaug 60 proc. garo aušinamoje kombinuoto ciklo dujų turbinoje. Visų šių procesų efektyvumas (arba jo trūkumas) padidėja dėl temperatūros kritimo juose.
Mažiausiai efektyvi OTEC technologija naudoja vandenyno paviršiaus ir gelmių vandens temperatūrų skirtumą, kuris yra nedidelis, gal 25 laipsnių Celsijaus skirtumas, todėl jos efektyvumas turi būti mažas.
Efektyviausia kombinuoto ciklo dujų turbina degina gamtines dujas, kad oras būtų pašildytas beveik iki 1530 laipsnių Celsijaus, t. y. didelis 1500 laipsnių Celsijaus temperatūrų skirtumas, todėl efektyvumas gali būti labai didelis, kai pridedamas garo aušinimo ciklas.
Kasdieniai pavyzdžiai
Žmonės dažniausiai naudoja šilumos variklius, kuriuose šiluma gaunama iš ugnies, plečiančios darbinį skystį (paprastai vandenį arba orą), o šilumos sugėriklis yra vandens telkinys arba atmosfera, kaip aušinimo bokšte.
Žinomi varikliai, kuriuose naudojamas įkaitusių dujų plėtimasis: garo variklis, dyzelinis variklis ir benzininis (benzininis) automobilio variklis.
Stirlingo variklis yra kur kas retesnis, tačiau jį galima rasti mažuose modeliuose, kurie gali veikti nuo rankos šilumos.
Vienas iš žaislinių šilumos variklių yra geriantis paukštis.
Bimetalinė juostelė - tai įtaisas, kuris temperatūrą paverčia mechaniniu judesiu ir naudojamas termostatuose temperatūrai reguliuoti. Tai šilumos variklis, kuriame nenaudojamas skystis ar dujos.
Susiję puslapiai
- Šilumos siurblys
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra šilumos variklis inžinerijoje ir termodinamikoje?
A: Šiluminis variklis - tai įrenginys, kuris šilumos energiją paverčia mechaniniu darbu, naudodamas temperatūrų skirtumą tarp karšto "šaltinio" ir šalto "kriauklės".
K: Kaip veikia šilumos variklis?
A: Šiluma iš šaltinio per variklio darbinį korpusą perduodama į kriauklę, o šio proceso metu dalis šilumos paverčiama darbu, pasinaudojant variklyje esančių dujų ar skysčio savybėmis.
K: Kokie yra termodinaminiai ciklai, susiję su šilumos varikliais?
A: Yra daug šilumos variklių rūšių, kurių kiekvienas turi tam tikrą termodinaminį ciklą. Jie pavadinti pagal naudojamą termodinaminį ciklą, pavyzdžiui, Karno ciklas.
K: Kokie šilumos variklių, pavadintų kasdienių daiktų vardais, pavyzdžiai?
A: Kai kurie šilumos variklių, pavadintų kasdienių objektų vardais, pavyzdžiai yra benzininiai ir benzininiai varikliai, turbininiai varikliai ir garo varikliai.
K: Kaip vidaus degimo varikliai gamina šilumą?
A: Vidaus degimo varikliai šilumą gamina pačiame variklyje.
K: Ar šilumos varikliai gali būti atviri orui?
A: Taip, šilumos varikliai gali būti atviri orui arba sandarūs ir uždari nuo išorės. Tai vadinama atviru arba uždaru ciklu.
K: Ar visi šilumos varikliai sugeria šilumą iš išorinio šaltinio?
Atsakymas: Ne, kai kurie šilumos varikliai gali sugerti šilumą iš išorinio šaltinio, kiti gali gaminti šilumą pačiame variklyje.
