Daugelio tipų mašinų veikimas pasižymi tokiu svarbiu rodikliu kaip šilumos variklio efektyvumas. Kiekvienais metais inžinieriai stengiasi sukurti pažangesnę įrangą, kuri mažesnėmis degalų sąnaudomis duotų maksimalų jos naudojimo rezultatą.
Šildymo variklio įtaisas
Prieš suprantant, kas yra efektyvumas, būtina suprasti, kaip veikia šis mechanizmas. Nežinant jo veikimo principų, neįmanoma išsiaiškinti šio rodiklio esmės. Šilumos variklis yra įrenginys, kuris veikia naudodamas vidinę energiją. Bet kuris šilumos variklis, paverčiantis šiluminę energiją į mechaninę energiją, naudoja medžiagų šiluminį plėtimąsi didėjant temperatūrai. Kietojo kūno varikliuose galima keisti ne tik medžiagos tūrį, bet ir kėbulo formą. Tokio variklio veikimui galioja termodinamikos dėsniai.
Veikimo principas
Norint suprasti, kaip veikia šilumos variklis, būtina atsižvelgti į pagrindinius dalykusjo dizainai. Prietaiso veikimui reikalingi du korpusai: karštas (šildytuvas) ir š altas (šaldytuvas, aušintuvas). Šilumos variklių veikimo principas (šilumos variklių efektyvumas) priklauso nuo jų tipo. Dažnai garų kondensatorius veikia kaip šaldytuvas, o bet koks krosnyje degantis kuras – kaip šildytuvas. Idealaus šiluminio variklio efektyvumas nustatomas pagal šią formulę:
Efektyvumas=(Theating – Cooling)/ Theating. x 100%.
Tuo pačiu metu tikro variklio efektyvumas niekada negali viršyti vertės, gautos pagal šią formulę. Be to, šis rodiklis niekada neviršys aukščiau nurodytos vertės. Norėdami padidinti efektyvumą, dažniausiai padidinkite šildytuvo temperatūrą ir sumažinkite šaldytuvo temperatūrą. Abu šiuos procesus ribos faktinės įrangos veikimo sąlygos.
Šilumos variklio efektyvumas (formulė)
Šiluminio variklio veikimo metu dirbama, nes dujos pradeda netekti energijos ir atvėsta iki tam tikros temperatūros. Pastarasis paprastai yra keliais laipsniais aukščiau supančios atmosferos. Tai yra šaldytuvo temperatūra. Toks specialus įtaisas yra skirtas aušinimui su vėlesniu išmetamųjų garų kondensavimu. Kai yra kondensatorių, šaldytuvo temperatūra kartais būna žemesnė nei aplinkos temperatūra.
Šilumos variklyje kūnas, kaitinamas ir plečiamas, nepajėgia atiduoti visos savo vidinės energijos darbui atlikti. Dalis šilumos bus perduota į šaldytuvą kartu su išmetamosiomis dujomis arba garais. Ši dalisneišvengiamai prarandama šiluminė vidinė energija. Kuro degimo metu darbinis kūnas gauna tam tikrą šilumos kiekį Q1 iš šildytuvo. Tuo pačiu metu jis vis dar atlieka darbą A, kurio metu dalį šiluminės energijos perduoda į šaldytuvą: Q2<Q1.
EFFICIENCY apibūdina variklio efektyvumą energijos konversijos ir perdavimo srityje. Šis rodiklis dažnai matuojamas procentais. Efektyvumo formulė:
ηA/Qx100%, kur Q yra sunaudota energija, A yra naudingas darbas.
Remiantis energijos tvermės dėsniu, galime daryti išvadą, kad naudingumo koeficientas visada bus mažesnis už vieną. Kitaip tariant, niekada nebus naudingesnio darbo už tam skirtą energiją.
Variklio efektyvumas – tai naudingo darbo ir šildytuvo tiekiamos energijos santykis. Jį galima pavaizduoti pagal šią formulę:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kur Q 1 – iš šildytuvo gaunama šiluma, o Q2 – atiduodama į šaldytuvą.
Šilumos variklio veikimas
Šilumos variklio atliktas darbas apskaičiuojamas pagal šią formulę:
A=|QH| - |QX|, kur A yra darbas, QH yra šilumos kiekis, gaunamas iš šildytuvo, QX – šilumos kiekis, atiduodamas aušintuvui.
Šilumos variklio efektyvumas (formulė):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 – |QX|/|QH|
Jis lygus variklio atlikto darbo ir jo kiekio santykiuišiluma. Šio perdavimo metu prarandama dalis šiluminės energijos.
Carnot variklis
Didžiausias šilumos variklio efektyvumas pažymėtas Carnot įrenginyje. Taip yra dėl to, kad šioje sistemoje tai priklauso tik nuo absoliučios šildytuvo (Тн) ir aušintuvo (Тх) temperatūros. Šilumos variklio, veikiančio pagal Carnot ciklą, efektyvumas nustatomas pagal šią formulę:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Terodinamikos dėsniai leido apskaičiuoti didžiausią galimą efektyvumą. Pirmą kartą šį rodiklį apskaičiavo prancūzų mokslininkas ir inžinierius Sadi Carnot. Jis išrado šiluminį variklį, kuris veikė idealiomis dujomis. Jis veikia 2 izotermų ir 2 adiabatų cikle. Jo veikimo principas yra gana paprastas: dujomis į indą įvedamas šildytuvo kontaktas, dėl kurio darbinis skystis plečiasi izotermiškai. Tuo pačiu metu jis veikia ir gauna tam tikrą šilumos kiekį. Po to, kai indas yra termiškai izoliuotas. Nepaisant to, dujos ir toliau plečiasi, bet jau adiabatiškai (be šilumos mainų su aplinka). Šiuo metu jo temperatūra nukrenta iki šaldytuvo. Šiuo metu dujos liečiasi su šaldytuvu, todėl izometrinio suspaudimo metu suteikia tam tikrą šilumos kiekį. Tada indas vėl termiškai izoliuojamas. Šiuo atveju dujos suspaudžiamos adiabatiškai iki pradinio tūrio ir būsenos.
Įvairūs
Mūsų laikais yra daug tipų šiluminių variklių, kurie veikia skirtingais principais ir naudoja skirtingą kurą. Visi jie turi savo efektyvumą. Jie apimataip:
• Vidaus degimo variklis (stūmoklis), tai mechanizmas, kai dalis degančio kuro cheminės energijos paverčiama mechanine energija. Tokie prietaisai gali būti dujiniai ir skysti. Yra 2 ir 4 taktų varikliai. Jie gali turėti nepertraukiamą darbo ciklą. Pagal degalų mišinio paruošimo būdą tokie varikliai yra karbiuratorius (su išoriniu mišinio formavimu) ir dyzelinis (su vidiniu). Pagal energijos keitiklių tipus skirstomi į stūmoklinius, reaktyvinius, turbininius, kombinuotus. Tokių mašinų efektyvumas neviršija 0,5.
• Stirlingo variklis – įrenginys, kuriame darbinis skystis yra uždaroje erdvėje. Tai savotiškas išorinio degimo variklis. Jo veikimo principas pagrįstas periodišku kūno aušinimu/šildymu gaminant energiją, pasikeitus jo tūriui. Tai vienas efektyviausių variklių.
• Turbininis (rotorinis) variklis su išoriniu degalų degimu. Tokie įrenginiai dažniausiai randami šiluminėse elektrinėse.
• Turbininis (rotacinis) ICE naudojamas šiluminėse elektrinėse piko režimu. Ne taip įprasta kaip kiti.
• Turbosraigtinis variklis sukuria dalį traukos dėl sraigto. Likusi dalis gaunama iš išmetamųjų dujų. Jo konstrukcija – rotorinis variklis (dujų turbina), ant kurio veleno sumontuotas sraigtas.
Kiti šiluminių variklių tipai
• Raketos, turboreaktyviniai ir reaktyviniai varikliai, kurie patiria trauką dėl atatrankosišmetamosios dujos.
• Kietojo kūno varikliuose kaip kuras naudojamos kietosios medžiagos. Dirbant keičiasi ne jo tūris, o forma. Įrangai veikiant naudojamas itin mažas temperatūrų skirtumas.
Kaip padidinti efektyvumą
Ar įmanoma padidinti šilumos variklio efektyvumą? Atsakymo reikia ieškoti termodinamikoje. Ji tiria skirtingų rūšių energijos tarpusavio transformacijas. Nustatyta, kad visos turimos šiluminės energijos neįmanoma paversti elektrine, mechanine ir kt. Tuo pačiu metu jų pavertimas šilumine energija vyksta be jokių apribojimų. Tai įmanoma dėl to, kad šiluminės energijos prigimtis pagrįsta netvarkingu (chaotišku) dalelių judėjimu.
Kuo labiau kūnas įkaista, tuo greičiau judės jį sudarančios molekulės. Dalelių judėjimas taps dar nepastovesnis. Be to, visi žino, kad tvarką galima lengvai paversti chaosu, kurį labai sunku užsisakyti.
