Delovanje številnih vrst strojev je značilno za tako pomemben kazalnik, kot je učinkovitost toplotnega motorja. Inženirji si vsako leto prizadevajo ustvariti naprednejšo opremo, ki bi z nižjimi stroški goriva dala maksimalne rezultate z njeno uporabo.
Naprava za toplotni motor
Preden razumemo, kaj je učinkovitost, je treba razumeti, kako ta mehanizem deluje. Brez poznavanja načel njegovega delovanja je nemogoče ugotoviti bistvo tega indikatorja. Toplotni motor je naprava, ki deluje z uporabo notranje energije. Vsak toplotni motor, ki pretvarja toplotno energijo v mehansko, uporablja toplotno raztezanje snovi z naraščajočo temperaturo. Pri polprevodniških motorjih je mogoče spremeniti ne le prostornino snovi, temveč tudi obliko telesa. Delovanje takšnega motorja je podrejeno zakonom termodinamike.
Načelo delovanja
Da bi razumeli, kako deluje toplotni motor, je treba upoštevati osnovenjegove zasnove. Za delovanje naprave sta potrebni dve telesi: toplo (grelec) in hladno (hladilnik, hladilnik). Načelo delovanja toplotnih motorjev (učinkovitost toplotnih motorjev) je odvisno od njihove vrste. Pogosto parni kondenzator deluje kot hladilnik, vsaka vrsta goriva, ki gori v peči, pa deluje kot grelec. Učinkovitost idealnega toplotnega motorja je določena z naslednjo formulo:
Učinkovitost=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
Hkrati pa učinkovitost pravega motorja nikoli ne more preseči vrednosti, pridobljene po tej formuli. Tudi ta kazalnik ne bo nikoli presegel zgornje vrednosti. Za povečanje učinkovitosti najpogosteje zvišajte temperaturo grelnika in znižajte temperaturo hladilnika. Oba procesa bosta omejena z dejanskimi pogoji delovanja opreme.
Učinkovitost toplotnega motorja (formula)
Med delovanjem toplotnega stroja je delo opravljeno, saj plin začne izgubljati energijo in se ohladi na določeno temperaturo. Slednji je običajno nekaj stopinj nad okoliškim ozračjem. To je temperatura v hladilniku. Takšna posebna naprava je zasnovana za hlajenje z naknadno kondenzacijo izpušne pare. Kjer so prisotni kondenzatorji, je temperatura hladilnika včasih nižja od temperature okolice.
V toplotnem stroju telo, ko se segreje in razširi, ne more dati vse svoje notranje energije za delo. Del toplote se skupaj z izpušnimi plini ali paro prenese v hladilnik. Ta deltoplotna notranja energija se neizogibno izgubi. Med zgorevanjem goriva delovno telo prejme določeno količino toplote Q1 od grelnika. Hkrati še vedno opravlja delo A, med katerim del toplotne energije prenese v hladilnik: Q2<Q1.
UČINKOVITOST označuje učinkovitost motorja na področju pretvorbe in prenosa energije. Ta kazalnik se pogosto meri v odstotkih. Formula učinkovitosti:
ηA/Qx100%, kjer je Q porabljena energija, A je koristno delo.
Na podlagi zakona o ohranjanju energije lahko sklepamo, da bo izkoristek vedno manjši od ena. Z drugimi besedami, nikoli ne bo bolj uporabnega dela od porabljene energije.
Učinkovitost motorja je razmerje med koristnim delom in energijo, ki jo dovaja grelec. Lahko ga predstavimo kot naslednjo formulo:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kjer je Q 1 - toplota, ki jo prejme od grelnika, in Q2 - dano v hladilnik.
Delovanje toplotnega motorja
Delo, ki ga opravi toplotni motor, se izračuna po naslednji formuli:
A=|QH| - |QX|, kjer je A delo, QH je količina toplote, ki jo prejme od grelnika, QX - količina toplote, dana hladilniku.
Učinkovitost toplotnega motorja (formula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Je enako razmerju med delom, ki ga opravi motor, in količinotoploto. Med tem prenosom se del toplotne energije izgubi.
Carnot motor
Največji izkoristek toplotnega motorja je zabeležen pri napravi Carnot. To je posledica dejstva, da je v tem sistemu odvisna samo od absolutne temperature grelca (Тн) in hladilnika (Тх). Učinkovitost toplotnega motorja, ki deluje po Carnotovem ciklu, je določena z naslednjo formulo:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Zakoni termodinamike so nam omogočili izračun največje možne učinkovitosti. Ta kazalnik je prvič izračunal francoski znanstvenik in inženir Sadi Carnot. Izumil je toplotni motor, ki je deloval na idealnem plinu. Deluje na ciklu 2 izoterm in 2 adiabat. Načelo njegovega delovanja je precej preprosto: do posode s plinom pride do stika grelnika, zaradi česar se delovna tekočina izotermično širi. Hkrati deluje in prejema določeno količino toplote. Po tem, ko je posoda toplotno izolirana. Kljub temu se plin še naprej širi, vendar že adiabatno (brez izmenjave toplote z okoljem). V tem času njegova temperatura pade na hladilnik. V tem trenutku je plin v stiku s hladilnikom, zaradi česar mu med izometričnim stiskanjem daje določeno količino toplote. Nato se posoda ponovno toplotno izolira. V tem primeru se plin adiabatsko stisne do prvotne prostornine in stanja.
Sorte
V našem času obstaja veliko vrst toplotnih motorjev, ki delujejo na različnih principih in na različna goriva. Vsi imajo svojo učinkovitost. Tej vključujejonaslednje:
• Motor z notranjim zgorevanjem (bat), ki je mehanizem, kjer se del kemične energije gorečega goriva pretvori v mehansko energijo. Takšne naprave so lahko plinske in tekoče. Obstajajo 2-taktni in 4-taktni motorji. Lahko imajo neprekinjen delovni cikel. Po načinu priprave mešanice goriva so takšni motorji uplinjač (z zunanjim tvorbo mešanice) in dizelski (z notranjim). Glede na vrste pretvornika energije jih delimo na batne, curke, turbine, kombinirane. Učinkovitost takšnih strojev ne presega 0,5.
• Stirlingov motor - naprava, pri kateri je delovna tekočina v zaprtem prostoru. Je neke vrste motor z zunanjim zgorevanjem. Načelo njegovega delovanja temelji na periodičnem hlajenju/grevanju telesa s proizvodnjo energije zaradi spremembe njegove prostornine. Je eden najučinkovitejših motorjev.
• Turbinski (rotacijski) motor z zunanjim zgorevanjem goriva. Takšne inštalacije najpogosteje najdemo v termoelektrarnah.
• Turbinski (rotacijski) ICE se uporablja v termoelektrarnah v vršnem načinu. Ni tako pogosto kot drugi.
• Turboprop motor ustvari nekaj potiska zaradi propelerja. Ostalo prihaja iz izpušnih plinov. Njegova zasnova je rotacijski motor (plinska turbina), na gredi katerega je nameščen propeler.
Druge vrste toplotnih motorjev
• Raketni, turboreaktivni in reaktivni motorji, ki dobijo potisk zaradi odvračanjaizpušni plini.
• Polprevodniški motorji uporabljajo trdne snovi kot gorivo. Pri delu se ne spreminja njegov volumen, ampak njegova oblika. Delovanje opreme uporablja izjemno nizko temperaturno razliko.
Kako izboljšati učinkovitost
Ali je mogoče povečati učinkovitost toplotnega motorja? Odgovor je treba iskati v termodinamiki. Preučuje medsebojne transformacije različnih vrst energije. Ugotovljeno je bilo, da je nemogoče pretvoriti vso razpoložljivo toplotno energijo v električno, mehansko itd. Hkrati pa poteka njihova pretvorba v toplotno energijo brez omejitev. To je mogoče zaradi dejstva, da narava toplotne energije temelji na neurejenem (kaotičnem) gibanju delcev.
Bolj ko se telo segreje, hitreje se bodo premikale molekule, ki ga sestavljajo. Gibanje delcev bo postalo še bolj neredno. Poleg tega vsi vedo, da se red zlahka spremeni v kaos, ki ga je zelo težko urediti.
