Kas ir siltuma dzinējs? Definīcija, darbības princips un piemēri
Uzzini, kas ir siltuma dzinējs — definīcija, darbības princips, termodinamiskie cikli un praktiski piemēri (iekšdedzes, tvaika, turbīnu dzinēji). Saprotami un īsi.
Inženierzinātnēs un termodinamikā siltuma dzinējs pārvērš siltuma enerģiju mehāniskajā darbā, izmantojot temperatūras starpību starp karstu "avotu" un aukstu "izlietni". Siltums no avota caur dzinēja "darba korpusu" tiek nodots "izlietnei", un šajā procesā daļa siltuma, izmantojot gāzes vai šķidruma īpašības dzinēja iekšienē, pārvēršas darbā.
Definīcija un pamatprincips
Siltuma dzinējs ir ierīce, kas absorbē siltumu no kāda avota un daļu tā pārvērš mehāniskā enerģijā vai elektrībā, bet pārējo siltumu atdod aukstākam izlietnei. Galvenie elementi ir:
- Avots — vieta, no kuras tiek ņemts siltums (piemēram, degviela, kodoldegviela, saule, karsta ūdens).
- Darba šķidrums — gāze vai šķidrums, kas veic darbu, paplašinoties vai mainot stāvokli.
- Izlietne — aukstais reservoirs, kurā tiek atdots neizmantotais siltums.
- Cikls — termodinamisko procesu kopums, kas ļauj sistēmai atgriezties sākuma stāvoklī un atkārtoti veikt darbu.
Termodinamiskie cikli
Katra siltuma dzinēja darbību raksturo konkrēts termodinamiskais cikls. Cikls nosaka, kā darbojas darba šķidrums un kā tiek pārveidota enerģija. Pazīstamākie cikli:
- Karno cikls — ideāls reversīvs cikls, kas nosaka maksimāli iespējamo efektivitāti starp divām temperatūrām (saukts par termodinamisko optimumu).
- Otto cikls — tipisks benzīna iekšdedzes dzinēju termodinamiskais modelis.
- Diesel cikls — modelis dīzeļdzinējiem, kur degviela iepurināta augstā spiedienā.
- Brayton cikls — gāzu turbīnām (gāzturbīnām) raksturīgs cikls.
- Rankine cikls — steam (tvaika) cikls, ko izmanto lielākajā daļā elektrostaciju (tvaika turbīnas).
Siltuma dzinēju veidi un piemēri
- Iekšdedzes dzinēji — siltums rodas dzinēja iekšienē, parasti sadedzinot degvielu (piemēri: Otto tipa benzīna dzinēji, Diesel dzinēji). Tie bieži izmanto atvērto ciklu, kur izplūdes gāzes tiek atlaistas apkārtējā vidē.
- Ārējās degšanas siltuma dzinēji — siltums tiek piegādāts no ārēja avota (piemērs: Stirlinga dzinējs, tradicionālais tvaika dzinējs). Šie var darboties slēgtā ciklā ar darba šķidrumu, kas netiek sajaukts ar avota mediju.
- Turbīnas — gāzu vai tvaika turbīnas izmanto strauji plūstošu darba šķidrumu, lai grieztu rotoru; bieži tiek lietotas elektroenerģijas ražošanā un aviācijā.
- Stacionārie un mobilie siltuma dzinēji — automobiļu dzinēji, vilcieni, kuģu dzinēji, rūpnieciskie ģeneratori.
Efektivitāte un termodinamika
Efektivitāte (η) nosaka, kāda daļa no uzņemtā siltuma tiek pārvērsta lietderīgā darbā. Saskaņā ar otrā termodinamikas likuma ierobežojumiem neviens siltuma dzinējs nevar sasniegt 100% efektivitāti. Ideālai Karno mašīnai efektivitāte ir atkarīga tikai no avota un izlietnes temperatūrām:
η = 1 − Tc/Th (temperatūrām jābūt Kelvinā)
Praktiskajos dzinējos efektivitāti samazina berze, siltuma zudumi, neideālas sadegšanas vai pārneses procesi un citas nelinearitātes. Lai palielinātu kopējo ražību, izmanto kopplāksnes risinājumus (piem., sakarsētā darba plūsma, kondensatori, siltuma atgūšana vai kombinētās ciklu stacijas — combined cycle).
Lietošanas jomas un vides aspekti
- Transportā: automašīnas, kravas automašīnas, kuģi un lidmašīnas (galvenokārt iekšdedzes dzinēji un gāzu turbīnas).
- Enerģētikā: termoelektrostacijas (tvaika un gāzu turbīnas), kur siltums tiek pārvērsts elektrībā.
- Rūpniecībā un apkurei: rūpnieciskie siltuma dzinēji, kombinētā siltum- un jaudas ražošana (CHP — cogeneration).
- Vides aspekts: degvielas sadedzināšana rada izmešus (CO2, NOx, daļiņas). Efektivitātes uzlabošana un siltuma atgūšana samazina degvielas patēriņu un emisijas. Alternatīvie avoti (saules termiskā enerģija, ģeotermālie avoti, biomasas kurināmais) var mazināt oglekļa pēdas nospiedumu.
Svarīgi jēdzieni
- Avots (karstais rezervuārs) un izlietne (aukstais rezervuārs).
- Darba šķidrums — medijs, kas nodrošina mehānisko darbu.
- Atvērtā cikla — darba medijs tiek nomainīts ar apkārtējo vidi (piem., iekšdedzes dzinēji).
- Slēgtā cikla — darba medijs cirkulē ierīcē, nepiesārņojot vidi (piem., Stirlinga dzinējs, slēgtas tvaika sistēmas).
- Termodinamiskie zaudējumi — irreversibilitātes, berze, siltuma zudumi, neideālas sadegšanas reakcijas.
Kopsavilkums
Siltuma dzinējs ir pamatierīce enerģētikā un transportā — tā uzdevums ir pārveidot siltumu par mehānisko darbu, izmantojot temperatūras starpību un darba šķidruma īpašības. Teromdinamikā tiek definēti ideālie cikli (piem., Karno), taču reālie dzinēji izmanto dažādus ciklus (Otto, Diesel, Brayton, Rankine u.c.), katram ar savām priekšrocībām un ierobežojumiem. Efektivitāte ir ierobežota ar termodinamikas likumiem, un mūsdienu inženierija meklē risinājumus efektivitātes palielināšanai un vides ietekmes samazināšanai.
1. attēls: Siltuma dzinēja shēma. TH ir siltuma avots un TC ir aukstuma uztvērējs. QH ir siltums, kas ieplūst dzinējā. QC ir izplūdes siltums, kas nonāk aukstajā uztvērējā. W ir lietderīgais darbs, kas iziet no dzinēja.
Pārskats
Kad zinātnieki pēta siltuma dzinējus, viņi nāk klajā ar idejām par dzinējiem, kurus faktiski nevar uzbūvēt. Tos sauc par ideālajiem dzinējiem vai cikliem. Reālos siltuma dzinējus bieži jauc ar ideālajiem dzinējiem vai cikliem, kurus tie mēģina atdarināt.
Raksturojot fizisko ierīci, parasti lieto terminu "dzinējs". Aprakstot ideālo variantu, lieto terminu "cikls".
Varētu teikt, ka termodinamiskais cikls ir ideāls mehāniskā dzinēja gadījums. Tāpat varētu teikt, ka modelis ne gluži ideāli atbilst mehāniskajam dzinējam. Tomēr daudz priekšrocību dod vienkāršotie modeļi un ideālie gadījumi, ko tie var pārstāvēt.
Vispārīgi runājot, jo lielāka ir temperatūras starpība starp karsto avotu un auksto uztvērēju, jo efektīvāks ir cikls vai dzinējs. Uz Zemes jebkura siltuma dzinēja aukstā puse ir ierobežota ar gaisa temperatūru vietā, kur atrodas dzinējs.
Lielākā daļa centienu uzlabot siltuma dzinēju efektivitāti tiek veltīti siltuma avota temperatūras paaugstināšanai, taču ļoti augstā temperatūrā dzinēja metāls sāk kļūt mīksts.
Dažādu šobrīd ierosināto vai izmantoto siltumdzinēju efektivitāte svārstās no 3 % (97 % izlietotā siltuma) OTEC okeāna enerģijas priekšlikumā, 25 % lielākajā daļā automobiļu dzinēju, 45 % superkritiskā ogļu spēkstacijā līdz aptuveni 60 % tvaika dzesētā kombinētā cikla gāzes turbīnā. Visi šie procesi iegūst savu efektivitāti (vai tās trūkumu), pateicoties temperatūras pazeminājumam tajos.
Vismazāk efektīvā OTEC izmanto okeāna ūdens virsmas un dziļumā esošā ūdens temperatūras starpību, kas ir neliela, iespējams, 25 grādu pēc Celsija, tāpēc efektivitātei jābūt zemai.
Visefektīvākā ir kombinētā cikla gāzturbīna, kas sadedzina dabasgāzi, lai gaisu uzsildītu līdz gandrīz 1530 grādiem pēc Celsija, kas ir liela temperatūras starpība - 1500 grādi pēc Celsija, tāpēc, pievienojot tvaika dzesēšanas ciklu, efektivitāte var būt ļoti liela.
Ikdienas piemēri
Cilvēki lielākoties izmanto siltuma dzinējus, kuros siltums tiek iegūts no uguns, kas paplašina darba šķidrumu (parasti ūdeni vai gaisu), un siltuma uztvērējs ir vai nu ūdens tilpne, vai atmosfēra, piemēram, dzesēšanas tornis.
Pazīstamie dzinēji, kuros izmanto sakarsētu gāzu izplešanos, ir tvaika dzinējs, dīzeļdzinējs un benzīna (benzīna) dzinējs automašīnā.
Stirlinga dzinējs ir daudz retāk sastopams, taču to var atrast nelielos modeļos, kas var darboties, izmantojot rokas siltumu.
Viens no rotaļlietu siltuma dzinēju veidiem ir dzeramais putns.
Bimetāla sloksne ir ierīce, kas pārvērš temperatūru mehāniskā kustībā un tiek izmantota termostatos, lai kontrolētu temperatūru. Tas ir siltuma dzinējs, kas neizmanto šķidrumu vai gāzi.
Saistītās lapas
- Siltumsūknis
Jautājumi un atbildes
Jautājums: Kas inženierzinātnē un termodinamikā ir siltuma dzinējs?
A: Siltumdzinējs ir ierīce, kas pārvērš siltuma enerģiju mehāniskajā darbā, izmantojot temperatūras starpību starp karstu "avotu" un aukstu "izlietni".
J: Kā darbojas siltuma dzinējs?
A: Siltums no avota caur dzinēja darba korpusu tiek pārnests uz uztvērēju, un šajā procesā daļa siltuma tiek pārvērsta darbā, izmantojot gāzes vai šķidruma īpašības dzinējā.
J: Kādi ir termodinamiskie cikli, kas saistīti ar siltuma dzinējiem?
A: Ir daudz siltuma dzinēju veidu, un katram no tiem ir īpašs termodinamiskais cikls. Tos sauc pēc termodinamiskā cikla, ko tie izmanto, piemēram, Karno cikls.
J: Kādi ir daži piemēri siltuma dzinējiem, kas nosaukti pēc ikdienā sastopamu priekšmetu nosaukumiem?
A.: Daži piemēri, kad siltuma dzinēju nosaukumi ir saistīti ar ikdienā sastopamiem priekšmetiem, ir benzīna/ benzīna dzinēji, turbīnu dzinēji un tvaika dzinēji.
J: Kā iekšdedzes dzinēji ražo siltumu?
A: Iekšdedzes dzinēji rada siltumu pašā dzinējā.
J: Vai siltuma dzinēji var būt atvērti gaisam?
A: Jā, siltuma dzinēji var būt atvērti gaisam vai hermētiski noslēgti un slēgti no ārpuses. To sauc par atvērtu vai slēgtu ciklu.
J: Vai visi siltuma dzinēji absorbē siltumu no ārēja avota?
A.: Nē, lai gan daži siltuma dzinēji var absorbēt siltumu no ārēja avota, citi var ražot siltumu pašā dzinējā.
Meklēt