Ufanisi wa injini za joto hupatikana kwa kutumia formula. Ufanisi ni nini? Zaidi kuhusu hasara

Kazi iliyofanywa na injini ni:

Utaratibu huu ulizingatiwa kwanza na mhandisi na mwanasayansi wa Ufaransa N. L. S. Carnot mnamo 1824 katika kitabu "Reflections on. nguvu ya kuendesha gari moto na kuhusu mashine zenye uwezo wa kutengeneza nguvu hii."

Lengo la utafiti wa Carnot lilikuwa kujua sababu za kutokamilika kwa injini za joto za wakati huo (zilikuwa na ufanisi wa ≤ 5%) na kutafuta njia za kuziboresha.

Mzunguko wa Carnot ndio ufanisi zaidi kuliko wote. Ufanisi wake ni wa juu.

Takwimu inaonyesha michakato ya thermodynamic ya mzunguko. Wakati wa upanuzi wa isothermal (1-2) kwa joto T 1 , kazi inafanywa kutokana na mabadiliko nishati ya ndani heater, i.e. kutokana na usambazaji wa joto kwa gesi Q:

A 12 = Q 1 ,

Gesi ya baridi kabla ya ukandamizaji (3-4) hutokea wakati wa upanuzi wa adiabatic (2-3). Mabadiliko ya nishati ya ndani ΔU 23 wakati wa mchakato wa adiabatic ( Q = 0) inabadilishwa kabisa kuwa kazi ya mitambo:

A 23 = -ΔU 23 ,

Joto la gesi kama matokeo ya upanuzi wa adiabatic (2-3) hupungua hadi joto la jokofu. T 2 < T 1 . Katika mchakato (3-4), gesi inasisitizwa isothermal, kuhamisha kiasi cha joto kwenye jokofu. Q 2:

A 34 = Q 2,

Mzunguko unaisha na mchakato wa compression ya adiabatic (4-1), ambayo gesi huwashwa kwa joto. T 1.

Thamani ya juu ya ufanisi wa injini bora za joto za gesi kulingana na mzunguko wa Carnot:

.

Kiini cha formula kinaonyeshwa katika kuthibitishwa NA. Nadharia ya Carnot kwamba ufanisi wa injini yoyote ya joto hauwezi kuzidi ufanisi wa mzunguko wa Carnot uliofanywa kwa joto sawa la heater na jokofu.

Pengine kila mtu amejiuliza kuhusu ufanisi (Mgawo wa Ufanisi) wa injini ya mwako wa ndani. Baada ya yote, juu ya kiashiria hiki, inafanya kazi kwa ufanisi zaidi kitengo cha nguvu. Ufanisi zaidi kwenye kwa sasa muda unazingatiwa aina ya umeme, ufanisi wake unaweza kufikia hadi 90 - 95%, lakini kwa injini za mwako wa ndani, iwe ni dizeli au petroli, ni, kuiweka kwa upole, mbali na bora ...

Kuwa mkweli, basi chaguzi za kisasa motors ni bora zaidi kuliko wenzao ambao walitolewa miaka 10 iliyopita, na kuna sababu nyingi za hili. Fikiria mwenyewe kabla, toleo la lita 1.6 lilizalisha 60 - 70 hp tu. Na sasa thamani hii inaweza kufikia 130 - 150 hp. Hii ni kazi yenye uchungu ili kuongeza ufanisi, ambayo kila "hatua" hutolewa kwa majaribio na makosa. Walakini, wacha tuanze na ufafanuzi.

- hii ni thamani ya uwiano wa kiasi mbili, nguvu ambayo hutolewa kwa crankshaft ya injini kwa nguvu iliyopokelewa na pistoni, kutokana na shinikizo la gesi ambazo ziliundwa kwa kuwasha mafuta.

Kwa maneno rahisi, hii ni ubadilishaji wa nishati ya joto au ya joto ambayo inaonekana wakati wa mwako wa mchanganyiko wa mafuta (hewa na petroli) katika nishati ya mitambo. Ikumbukwe kwamba hii tayari imetokea, kwa mfano katika mvuke mitambo ya nguvu- mafuta pia yalisukuma pistoni za vitengo chini ya ushawishi wa joto. Hata hivyo, mitambo hiyo ilikuwa mara nyingi zaidi, na mafuta yenyewe yalikuwa imara (kawaida makaa ya mawe au kuni), ambayo ilifanya kuwa vigumu kusafirisha na kufanya kazi mara kwa mara ilikuwa muhimu "kulisha" ndani ya tanuru na koleo. Injini za mwako wa ndani ni ngumu zaidi na nyepesi kuliko zile za "mvuke", na mafuta ni rahisi zaidi kuhifadhi na kusafirisha.

Zaidi kuhusu hasara

Kuangalia mbele, tunaweza kusema kwa ujasiri kwamba ufanisi wa injini ya petroli ni kati ya 20 hadi 25%. Na kuna sababu nyingi za hii. Ikiwa tutachukua mafuta yanayoingia na kuibadilisha kuwa asilimia, basi tunaonekana kupata "100% ya nishati" ambayo huhamishiwa kwenye injini, na kisha kuna hasara:

1)Ufanisi wa mafuta . Sio mafuta yote yanayochomwa, sehemu ndogo yake huenda na gesi za kutolea nje, katika ngazi hii tayari tunapoteza hadi 25% ya ufanisi. Bila shaka, sasa mifumo ya mafuta inaboresha, injector imeonekana, lakini pia ni mbali na bora.

2) Ya pili ni hasara ya jotoNa . Injini hujipasha moto yenyewe na vitu vingine vingi, kama vile radiators, mwili wake, na kioevu kinachozunguka ndani yake. Pia, baadhi ya joto huacha na gesi za kutolea nje. Yote hii inasababisha hasara ya hadi 35% ya ufanisi.

3) Ya tatu ni hasara za mitambo . JUU ya kila aina ya pistoni, vijiti vya kuunganisha, pete - maeneo yote ambapo kuna msuguano. Hii inaweza pia kujumuisha hasara kutoka kwa mzigo wa jenereta, kwa mfano, umeme zaidi jenereta inazalisha, zaidi inapunguza kasi ya mzunguko wa crankshaft. Kwa kweli, mafuta pia yamefanya maendeleo, lakini tena, hakuna mtu ambaye bado ameweza kushinda kabisa msuguano - hasara bado ni 20%.

Kwa hivyo, jambo la msingi ni kwamba ufanisi ni karibu 20%! Bila shaka, kati ya chaguzi za petroli, kuna chaguzi za kusimama ambazo takwimu hii imeongezeka hadi 25%, lakini hakuna wengi wao.

Hiyo ni, ikiwa gari lako linatumia mafuta ya lita 10 kwa kilomita 100, basi lita 2 tu kati yao zitaenda moja kwa moja kufanya kazi, na wengine ni hasara!

Bila shaka, unaweza kuongeza nguvu, kwa mfano, kwa boring kichwa, angalia video fupi.

Ikiwa unakumbuka formula, zinageuka:

Ni injini gani ina ufanisi wa juu zaidi?

Sasa nataka kuzungumza juu ya chaguzi za petroli na dizeli, na kujua ni nani kati yao anayefaa zaidi.

Ili kuiweka kwa lugha rahisi na bila kuingia kwenye magugu ya maneno ya kiufundi, ikiwa unalinganisha mambo mawili ya ufanisi, ufanisi zaidi wao ni, bila shaka, dizeli na hii ndiyo sababu:

1) Injini ya petroli hubadilisha 25% tu ya nishati kuwa nishati ya mitambo, lakini dizeli karibu 40%.

2) Ikiwa unaandaa aina ya dizeli na turbocharging, unaweza kufikia ufanisi wa 50-53%, na hii ni muhimu sana.

Hivyo kwa nini ni hivyo ufanisi? Ni rahisi - licha ya aina sawa ya kazi (zote ni vitengo vya mwako wa ndani), dizeli hufanya kazi yake kwa ufanisi zaidi. Ina ukandamizaji mkubwa, na mafuta huwaka kwa kutumia kanuni tofauti. Ina joto kidogo, ambayo inamaanisha kuwa kuna uokoaji kwenye baridi, ina valves chache (kuokoa kwenye msuguano), na pia haina coil za kawaida za kuwasha na plugs za cheche, ambayo inamaanisha hauitaji gharama za ziada za nishati kutoka kwa jenereta. . Inafanya kazi kwa kasi ya chini, hakuna haja ya kuzunguka crankshaft kwa kasi - yote haya hufanya toleo la dizeli kuwa bingwa katika suala la ufanisi.

Kuhusu ufanisi wa mafuta ya dizeli

KUTOKA kwa thamani ya mgawo wa juu hatua muhimu- Ufanisi wa mafuta hufuata. Kwa hiyo, kwa mfano, injini ya lita 1.6 inaweza kutumia lita 3-5 tu katika jiji, tofauti na aina ya petroli, ambapo matumizi ni lita 7-12. Injini ya dizeli ni bora zaidi; injini yenyewe mara nyingi ni ngumu zaidi na nyepesi, na pia hivi majuzi na rafiki wa mazingira zaidi. Mambo haya yote mazuri yanapatikana kwa shukrani kwa thamani kubwa, kuna uhusiano wa moja kwa moja kati ya ufanisi na ukandamizaji, angalia sahani ndogo.

Hata hivyo, licha ya faida zote, pia ina hasara nyingi.

Kama inavyokuwa wazi, ufanisi wa injini ya mwako wa ndani ni mbali na bora, hivyo siku zijazo ni wazi chaguzi za umeme- yote iliyobaki ni kupata betri zenye ufanisi ambazo haziogope baridi na kushikilia malipo kwa muda mrefu.

Ukweli wa kisasa unahitaji matumizi makubwa ya injini za joto. Majaribio mengi ya kuzibadilisha na motors za umeme hadi sasa yameshindwa. Matatizo yanayohusiana na uhifadhi wa nishati katika mifumo ya uhuru, hutatuliwa kwa shida sana.

Matatizo ya teknolojia ya utengenezaji kwa betri za nguvu za umeme, kwa kuzingatia matumizi yao ya muda mrefu, bado yanafaa. Sifa za kasi za magari ya umeme ni mbali na zile za magari yenye injini za mwako wa ndani.

Hatua za kwanza kuelekea kuunda injini za mseto zinaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa uzalishaji wa madhara katika megacities, kutatua matatizo ya mazingira.

Historia kidogo

Uwezekano wa kubadili nishati ya mvuke katika nishati ya mwendo ulijulikana katika nyakati za kale. 130 KK: Mwanafalsafa Heron wa Alexandria aliwasilisha toy ya mvuke - aeolipile - kwa watazamaji. Tufe iliyojaa mvuke ilianza kuzunguka chini ya ushawishi wa jets zinazotoka humo. Mfano huu wa kisasa mitambo ya mvuke siku hizo haikutumika.

Kwa miaka na karne nyingi, maendeleo ya mwanafalsafa yalionekana kuwa toy ya kufurahisha tu. Mnamo 1629, Kiitaliano D. Branchi iliunda turbine hai. Mvuke uliendesha diski iliyo na vile.

Kuanzia wakati huo, maendeleo ya haraka ya injini za mvuke ilianza.

Injini ya joto

Ubadilishaji wa mafuta kuwa nishati ya harakati ya sehemu za mashine na mifumo hutumiwa katika injini za joto.

Sehemu kuu za mashine: heater (mfumo wa kupata nishati kutoka nje), maji ya kazi (hufanya hatua muhimu), jokofu.

Hita imeundwa ili kuhakikisha kwamba maji ya kazi hukusanya ugavi wa kutosha wa nishati ya ndani ili kufanya kazi muhimu. Jokofu huondoa nishati ya ziada.

Tabia kuu ya ufanisi inaitwa ufanisi wa injini za joto. Thamani hii inaonyesha ni kiasi gani cha nishati inayotumiwa inapokanzwa hutumiwa kufanya kazi muhimu. Ufanisi wa juu, faida zaidi ya uendeshaji wa mashine, lakini thamani hii haiwezi kuzidi 100%.

Uhesabuji wa ufanisi

Acha hita ipate kutoka nishati ya nje sawa na Q 1 . Kioevu cha kufanya kazi kilifanya kazi A, wakati nishati iliyotolewa kwa jokofu ilifikia Q 2.

Kulingana na ufafanuzi, tunahesabu thamani ya ufanisi:

η= A / Q 1 . Wacha tuzingatie kwamba A = Q 1 - Q 2.

Kwa hivyo, ufanisi wa injini ya joto, fomula ambayo ni η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, inaruhusu sisi kupata hitimisho zifuatazo:

• Ufanisi hauwezi kuzidi 1 (au 100%);
• ili kuongeza thamani hii, ni muhimu ama kuongeza nishati iliyopokelewa kutoka kwa heater au kupunguza nishati iliyotolewa kwa jokofu;
• kuongeza nishati ya heater hupatikana kwa kubadilisha ubora wa mafuta;
• kupunguza nishati iliyotolewa kwenye jokofu inakuwezesha kufikia vipengele vya kubuni injini.

Injini bora ya joto

Inawezekana kuunda injini ambayo ufanisi wake utakuwa wa juu (bora sawa na 100%)? Mwanafizikia wa Kifaransa wa nadharia na mhandisi mwenye talanta Sadi Carnot alijaribu kupata jibu la swali hili. Mnamo 1824, mahesabu yake ya kinadharia juu ya michakato inayotokea katika gesi iliwekwa wazi.

Wazo kuu lililopo kwenye mashine bora linaweza kuzingatiwa kutekeleza michakato inayoweza kubadilishwa na gesi bora. Tunaanza kwa kupanua gesi isothermally kwa joto T 1 . Kiasi cha joto kinachohitajika kwa hili ni Q 1. Baadaye, gesi huongezeka bila kubadilishana joto Baada ya kufikia joto la T 2, gesi inapunguza isothermally, kuhamisha nishati Q 2 kwenye jokofu. Gesi inarudi katika hali yake ya awali kwa njia ya adiabatically.

Ufanisi wa injini bora ya joto ya Carnot, inapohesabiwa kwa usahihi, ni sawa na uwiano wa tofauti ya joto kati ya vifaa vya kupokanzwa na baridi kwa joto la heater. Inaonekana hivi: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Ufanisi unaowezekana wa injini ya joto, formula ambayo ni: η = 1 - T 2 / T 1, inategemea tu joto la heater na baridi na haiwezi kuwa zaidi ya 100%.

Aidha, uhusiano huu unatuwezesha kuthibitisha kwamba ufanisi wa injini za joto unaweza kuwa sawa na umoja tu wakati jokofu hufikia joto. Kama inavyojulikana, thamani hii haiwezi kupatikana.

Mahesabu ya kinadharia ya Carnot hufanya iwezekanavyo kuamua ufanisi wa juu wa injini ya joto ya muundo wowote.

Nadharia iliyothibitishwa na Carnot ni kama ifuatavyo. bure injini ya joto chini ya hali yoyote haina uwezo wa kuwa na ufanisi mkubwa kuliko thamani sawa ya ufanisi wa injini bora ya joto.

Mfano wa utatuzi wa shida

Mfano 1. Je, ni ufanisi gani wa injini bora ya joto ikiwa joto la heater ni 800 o C na joto la friji ni 500 o C chini?

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 500 K, η - ?

Kwa ufafanuzi: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Hatupewi joto la jokofu, lakini ∆T= (T 1 - T 2), kwa hivyo:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0.46.

Jibu: Ufanisi = 46%.

Mfano 2. Amua ufanisi wa injini bora ya joto ikiwa, kwa sababu ya kupatikana kwa kilojoule moja ya nishati ya hita, kazi muhimu 650 J. Je, ni joto gani la heater ikiwa joto la baridi ni 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 =?

Katika tatizo hili tunazungumzia kuhusu usakinishaji wa mafuta, ufanisi wake ambao unaweza kuhesabiwa kwa kutumia formula:

Kuamua hali ya joto ya hita, tunatumia fomula ya ufanisi wa injini bora ya joto:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Baada ya kufanya mabadiliko ya hisabati, tunapata:

T 1 = T 2 /(1- η).

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).

Wacha tuhesabu:

η= 650 J/ 1000 J = 0.65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142.8 K.

Jibu: η= 65%, T 1 = 1142.8 K.

Hali halisi

Injini bora ya joto imeundwa kwa kuzingatia michakato bora. Kazi inafanywa tu katika michakato ya isothermal;

Kwa kweli, haiwezekani kuunda hali ya mchakato wa kubadilisha hali ya gesi kutokea bila kuambatana na mabadiliko ya joto. Hakuna nyenzo ambazo zinaweza kuwatenga kubadilishana joto na vitu vilivyo karibu. Mchakato wa adiabatic hauwezekani kutekeleza. Katika kesi ya kubadilishana joto, joto la gesi lazima lazima kubadilika.

Ufanisi wa injini za joto zilizoundwa katika hali halisi hutofautiana sana na ufanisi wa injini bora. Kumbuka kwamba taratibu katika injini halisi hutokea kwa haraka sana kwamba tofauti katika nishati ya ndani ya mafuta ya dutu ya kazi katika mchakato wa kubadilisha kiasi chake haiwezi kulipwa fidia na uingizaji wa joto kutoka kwa heater na uhamisho kwenye jokofu.

Injini zingine za joto

Injini halisi hufanya kazi kwa mizunguko tofauti:

• Mzunguko wa Otto: mchakato wenye kiasi cha mara kwa mara hubadilika adiabatically, na kuunda mzunguko uliofungwa;
• Mzunguko wa dizeli: isobar, adiabatic, isochore, adiabatic;
• mchakato unaotokea wakati shinikizo la mara kwa mara, inabadilishwa na adiabatic, kufunga mzunguko.

Unda michakato ya usawa katika injini halisi (ili kuwaleta karibu na bora) chini ya hali teknolojia ya kisasa haiwezekani. Ufanisi wa injini za joto ni chini sana, hata kuzingatia sawa hali ya joto, kama katika ufungaji bora wa mafuta.

Lakini hupaswi kupunguza jukumu lako formula ya hesabu Ufanisi kwa vile ni hasa hii ambayo inakuwa hatua ya mwanzo katika mchakato wa kufanya kazi ili kuongeza ufanisi wa injini halisi.

Njia za kubadilisha ufanisi

Wakati kulinganisha injini bora na halisi za joto, ni muhimu kuzingatia kwamba hali ya joto ya jokofu ya mwisho haiwezi kuwa yoyote. Kawaida anga inachukuliwa kuwa jokofu. Joto la anga linaweza kukubaliwa tu katika mahesabu ya takriban. Uzoefu unaonyesha kuwa halijoto ya kupozea ni sawa na halijoto ya gesi za kutolea nje kwenye injini, kama ilivyo katika injini za mwako wa ndani (kwa kifupi ICE).

ICE ndio injini ya joto inayojulikana zaidi katika ulimwengu wetu. Ufanisi wa injini ya joto katika kesi hii inategemea joto linaloundwa na mafuta yanayowaka. Tofauti kubwa kati ya injini za mwako wa ndani na injini za mvuke ni kuunganisha kwa kazi za heater na maji ya kazi ya kifaa katika mchanganyiko wa hewa-mafuta. Mchanganyiko unapowaka, husababisha shinikizo kwenye sehemu zinazohamia za injini.

Kuongezeka kwa joto la gesi zinazofanya kazi hupatikana, kwa kiasi kikubwa kubadilisha mali ya mafuta. Kwa bahati mbaya, hii haiwezi kufanywa kwa muda usiojulikana. Nyenzo yoyote ambayo chumba cha mwako cha injini hufanywa ina kiwango chake cha kuyeyuka. Upinzani wa joto wa nyenzo hizo ni sifa kuu ya injini, pamoja na uwezo wa kuathiri kwa kiasi kikubwa ufanisi.

Maadili ya ufanisi wa magari

Ikiwa tunazingatia hali ya joto ya mvuke inayofanya kazi kwenye mlango ambao ni 800 K, na gesi ya kutolea nje - 300 K, basi ufanisi wa mashine hii ni 62%. Kwa kweli, thamani hii haizidi 40%. Kupungua huku hutokea kwa sababu ya upotezaji wa joto wakati wa kupokanzwa casing ya turbine.

Thamani ya juu ya mwako wa ndani hauzidi 44%. Kuongeza thamani hii ni suala la siku za usoni. Kubadilisha mali ya vifaa na mafuta ni shida ambayo akili bora za ubinadamu zinafanya kazi.

Ili injini ifanye kazi, kuna haja ya kuwa na tofauti ya shinikizo kwenye pande zote za pistoni ya injini au vile vya turbine. Katika injini zote za joto, tofauti hii ya shinikizo hupatikana kwa kuongeza joto la maji ya kazi kwa mamia ya digrii ikilinganishwa na joto la kawaida. Ongezeko hili la joto hutokea wakati mafuta yanawaka.

Maji ya kazi ya injini zote za joto ni gesi (tazama § 3.11), ambayo hufanya kazi wakati wa upanuzi. Hebu tuonyeshe joto la awali la maji ya kazi (gesi) kwa T 1 . Joto hili katika mitambo ya mvuke au mashine hupatikana kwa mvuke kwenye boiler ya mvuke. Katika injini za mwako wa ndani na turbine za gesi, ongezeko la joto hutokea wakati mafuta yanawaka ndani ya injini yenyewe. Halijoto T 1 inaitwa joto la heater.

Jukumu la jokofu

Kazi inapofanywa, gesi hupoteza nishati na bila shaka hupungua hadi joto fulani T 2 . Joto hili haliwezi kuwa chini kuliko hali ya joto mazingira, kwa kuwa vinginevyo shinikizo la gesi litakuwa chini ya anga na injini haitaweza kufanya kazi. Kawaida joto T 2 juu kidogo kuliko joto la kawaida. Inaitwa joto la friji. Jokofu ni anga au vifaa maalum kwa ajili ya baridi na condensing taka mvuke - condensers. Katika kesi ya mwisho, joto la friji inaweza kuwa chini kidogo kuliko joto la anga.

Kwa hiyo, katika injini, maji ya kazi wakati wa upanuzi hawezi kutoa nishati yake yote ya ndani kufanya kazi. Baadhi ya nishati huhamishiwa kwenye angahewa (jokofu) pamoja na mvuke taka au gesi za kutolea nje kutoka kwa injini za mwako wa ndani na turbine za gesi. Sehemu hii ya nishati ya ndani imepotea bila kurudi. Hivi ndivyo sheria ya pili ya thermodynamics inavyosema katika uundaji wa Kelvin.

Mchoro wa mchoro wa injini ya joto unaonyeshwa kwenye Mchoro 5.15. Maji ya kazi ya injini hupokea kiasi cha joto wakati wa mwako wa mafuta Q 1 , inafanya kazi A" na kuhamisha kiasi cha joto kwenye jokofu | Q 2 | <| Q 1 |.

Ufanisi wa injini ya joto

Kwa mujibu wa sheria ya uhifadhi wa nishati, kazi iliyofanywa na injini ni sawa na

(5.11.1)

Wapi Q 1 - kiasi cha joto kilichopokelewa kutoka kwa heater, a Q 2 - kiasi cha joto kilichohamishwa kwenye jokofu.

Ufanisi wa injini ya joto ni uwiano wa kazi A", inayofanywa na injini, kwa kiwango cha joto kilichopokelewa kutoka kwa hita:

(5.11.2)

Kwa turbine ya mvuke, heater ni boiler ya mvuke, na kwa injini za mwako wa ndani, heater ni bidhaa za mwako wa mafuta wenyewe.

Kwa kuwa injini zote huhamisha kiasi fulani cha joto kwenye jokofu, basi η< 1.

Utumiaji wa injini za joto

Ya umuhimu mkubwa ni matumizi ya injini za joto (hasa turbines za mvuke zenye nguvu) katika mitambo ya nguvu ya joto, ambapo huendesha rotors ya jenereta za sasa za umeme. Karibu 80% ya umeme wote katika nchi yetu huzalishwa kwenye mitambo ya nguvu ya joto.

Injini za joto (turbines za mvuke) pia zimewekwa kwenye mitambo ya nyuklia. Katika vituo hivi, nishati ya nuclei ya atomiki hutumiwa kuzalisha mvuke ya juu ya joto.

Aina zote kuu za usafiri wa kisasa kimsingi hutumia injini za joto. Magari hutumia injini za mwako wa ndani za pistoni na malezi ya nje ya mchanganyiko unaoweza kuwaka (injini za carburetor) na injini zilizo na uundaji wa mchanganyiko unaowaka moja kwa moja ndani ya mitungi (dizeli). Injini hizi zimewekwa kwenye matrekta.

Katika usafiri wa reli hadi katikati ya karne ya 20. Injini kuu ilikuwa injini ya mvuke. Sasa wanatumia injini za dizeli na injini za umeme. Lakini injini za umeme pia hupokea nishati kutoka kwa injini za mafuta za mitambo ya nguvu.

Usafiri wa maji hutumia injini za mwako wa ndani na turbine zenye nguvu kwa meli kubwa.

Katika anga, injini za bastola zimewekwa kwenye ndege nyepesi, na injini za turboprop na jet, ambazo pia zimeainishwa kama injini za mafuta, zimewekwa kwenye ndege kubwa. Injini za ndege pia hutumiwa kwenye roketi za anga.

Bila injini za joto, ustaarabu wa kisasa haufikiriwi. Tusingekuwa na umeme wa bei nafuu na tungenyimwa aina zote za usafiri wa kisasa wa mwendo kasi.

Mkutano wetu wa leo umejitolea kwa injini za joto. Wanaendesha aina nyingi za usafiri na kuruhusu sisi kuzalisha umeme, ambayo hutuletea joto, mwanga na faraja. Je, injini za joto hujengwaje na kanuni ya uendeshaji wao ni nini?

Dhana na aina za injini za joto

Injini za joto ni vifaa vinavyobadilisha nishati ya kemikali ya mafuta kuwa kazi ya mitambo.

Hii inafanywa kama ifuatavyo: kupanua mashinikizo ya gesi kwenye pistoni, na kusababisha kusonga, au kwenye vile vile vya turbine, na kusababisha kuzunguka.

Mwingiliano wa gesi (mvuke) na pistoni hufanyika katika injini za carburetor na dizeli (ICE).

Mfano wa hatua ya gesi ambayo inaunda mzunguko ni uendeshaji wa injini za turbojet za ndege.

Mchoro wa kuzuia injini ya joto

Licha ya tofauti katika muundo wao, injini zote za joto zina heater, dutu ya kazi (gesi au mvuke) na jokofu.

Mwako wa mafuta hutokea kwenye heater, na kusababisha kutolewa kwa kiasi cha joto Q1, na heater yenyewe inapokanzwa kwa joto la T1. Dutu inayofanya kazi, kupanua, inafanya kazi A.

Lakini joto Q1 haliwezi kubadilishwa kabisa kuwa kazi. Sehemu fulani yake Q2, kwa njia ya uhamisho wa joto kutoka kwa mwili wa joto, hutolewa kwenye mazingira, kwa kawaida huitwa friji yenye joto la T2.

Kuhusu injini za mvuke

Mpangilio wa uvumbuzi huu ulianzia enzi za Archimedes, ambaye alivumbua kanuni ambayo ilirusha kwa kutumia mvuke. Kisha hufuata mfululizo wa majina maarufu yanayotoa miradi yao. Toleo la ufanisi zaidi la kifaa ni la mvumbuzi wa Kirusi Ivan Polzunov. Tofauti na watangulizi wake, alipendekeza kiharusi kinachoendelea cha shimoni ya kufanya kazi kutokana na matumizi ya uendeshaji mbadala wa mitungi 2.

Mwako wa mafuta na uundaji wa mvuke katika injini za mvuke hutokea nje ya chumba cha kazi. Ndiyo sababu wanaitwa injini za mwako wa nje.

Kanuni hiyo hiyo hutumiwa kuunda maji ya kazi katika mitambo ya mvuke na gesi. Mfano wao wa mbali ulikuwa mpira unaozungushwa na mvuke. Mwandishi wa utaratibu huu alikuwa mwanasayansi Heron, ambaye aliunda mashine na vyombo vyake katika Alexandria ya kale.

Kuhusu injini za mwako wa ndani

Mwisho wa karne ya 19, Ujerumani mbuni August Otto alipendekeza muundo wa injini ya mwako wa ndani na carburetor ambapo mchanganyiko wa hewa-mafuta huandaliwa.

Hebu tuangalie kwa karibu kazi yake. Kila mzunguko wa uendeshaji una viharusi 4: ulaji, ukandamizaji, kiharusi cha nguvu na kutolea nje.

Wakati wa kiharusi cha kwanza, mchanganyiko unaowaka huingizwa kwenye silinda na kukandamizwa na pistoni. Wakati compression inafikia kiwango cha juu, mfumo wa kuwasha umeme huwashwa (cheche kutoka kwa kuziba cheche). Kama matokeo ya mlipuko huu mdogo, joto katika chumba cha mwako hufikia digrii 16,000 - 18,000. Gesi zinazosababishwa huweka shinikizo kwenye pistoni, kuisukuma, kugeuza crankshaft iliyounganishwa na pistoni. Hii ni kiharusi cha kufanya kazi ambacho huweka gari katika mwendo.

Na gesi zilizopozwa hutolewa kwenye anga kupitia valve ya kutolea nje. Kujaribu kuboresha utendakazi wa kifaa, watengenezaji waliongeza kiwango cha mgandamizo wa mchanganyiko unaoweza kuwaka, lakini kikawasha moja kwa moja "kabla ya ratiba."

Kijerumani mhandisi Dizeli Nilipata njia ya kuvutia kutoka kwa ugumu huu ...

Hewa safi inashinikizwa kwenye mitungi ya dizeli kwa sababu ya harakati za bastola. Hii ilifanya iwezekanavyo kuongeza uwiano wa compression mara kadhaa. Joto katika chumba cha mwako hufikia digrii 900. Mwishoni mwa kiharusi cha ukandamizaji, mafuta ya dizeli huingizwa huko. Matone yake madogo, yaliyochanganywa na hewa yenye joto kama hiyo, huwaka moto. Gesi zinazosababisha, kupanua, bonyeza kwenye pistoni, kutekeleza kiharusi cha kufanya kazi.

Kwa hiyo, Injini za dizeli hutofautiana na injini za kabureta:

• Kulingana na aina ya mafuta yaliyotumiwa. Injini za kabureta ni petroli. Injini za dizeli hutumia mafuta ya dizeli pekee.
• Dizeli ni 15-20% zaidi ya kiuchumi kuliko injini za carburetor kutokana na uwiano wake wa juu wa compression, lakini matengenezo yake ni ghali zaidi kuliko mpinzani wake, injini ya petroli.
• Miongoni mwa hasara za dizeli ni kwamba katika baridi ya baridi ya Kirusi mafuta ya dizeli huongezeka na inahitaji kuwashwa.
• Uchunguzi wa hivi karibuni wa wanasayansi wa Marekani umeonyesha kuwa uzalishaji kutoka kwa injini za dizeli hauna madhara katika muundo kuliko kutoka kwa wenzao wa petroli.

Ushindani wa muda mrefu kati ya aina mbili za injini za mwako wa ndani ulisababisha usambazaji wa upeo wa matumizi yao. Injini za dizeli, kama zenye nguvu zaidi, zimewekwa kwenye usafiri wa baharini, kwenye matrekta na magari ya kazi nzito, na injini za carburetor zimewekwa kwenye magari ya mwanga na ya kati, kwenye boti za magari, pikipiki, nk.

Sababu ya ufanisi (ufanisi)

Ufanisi wa uendeshaji wa utaratibu wowote unatambuliwa na ufanisi wake. Injini ya mvuke ambayo hutoa mvuke wa taka kwenye anga ina ufanisi mdogo sana wa 1 hadi 8%, injini za petroli hadi 30%, na injini ya kawaida ya dizeli hadi 40%. Bila shaka, wakati wote, uhandisi haukuacha na kutafuta njia za kuongeza ufanisi.

Mfaransa mwenye talanta mhandisi Sadi Carnot ilianzisha nadharia ya uendeshaji wa injini bora ya joto.

Hoja yake ilikuwa kama ifuatavyo: ili kuhakikisha kurudiwa kwa mizunguko, ni muhimu kwamba upanuzi wa dutu inayofanya kazi inapokanzwa inabadilishwa na ukandamizaji wake kwa hali yake ya asili. Utaratibu huu unaweza kukamilika tu kutokana na kazi ya nguvu za nje. Aidha, kazi ya nguvu hizi lazima iwe chini ya kazi muhimu ya maji ya kazi yenyewe. Ili kufanya hivyo, punguza shinikizo kwa kuiweka kwenye jokofu. Kisha grafu ya mzunguko mzima itaonekana kama contour iliyofungwa, ndiyo sababu ilikuja kuitwa mzunguko wa Carnot. Ufanisi wa juu wa injini bora huhesabiwa na formula:

Ambapo η ni ufanisi yenyewe, T1 na T2 ni joto kabisa la heater na jokofu. Zinahesabiwa kwa kutumia fomula T= t+273, ambapo t ni halijoto katika Selsiasi. Ni wazi kutoka kwa formula kwamba kuongeza ufanisi ni muhimu kuongeza joto la heater, ambayo ni mdogo na upinzani wa joto wa nyenzo, au kupunguza joto la jokofu. Ufanisi wa juu utakuwa kwenye T = 0K, ambayo pia haiwezekani kitaalam.

Mgawo halisi daima ni chini ya ufanisi wa injini bora ya joto. Kwa kulinganisha mgawo halisi na bora, inawezekana kuamua akiba ya kuboresha injini iliyopo.

Kufanya kazi katika mwelekeo huu, wabunifu wameweka injini za kizazi cha hivi karibuni za petroli na mifumo ya sindano ya mafuta(sindano). Hii inafanya uwezekano wa kufikia mwako kamili kwa kutumia umeme na, ipasavyo, kuongeza ufanisi.

Njia zinatafutwa ili kupunguza msuguano wa sehemu za injini zinazowasiliana, na pia kuboresha ubora wa mafuta yaliyotumiwa.

Hapo awali, asili ilitishia mwanadamu, lakini sasa mwanadamu anatishia asili.

Kizazi cha sasa kinapaswa kushughulika na matokeo ya shughuli za kibinadamu zisizo na maana. Na mchango mkubwa katika usumbufu wa usawa dhaifu wa asili unafanywa na kiasi kikubwa cha injini za joto zinazotumiwa katika usafiri, katika kilimo, pamoja na turbine za mvuke katika mimea ya nguvu.

Hii madhara hujidhihirisha katika utoaji wa gesi chafu nyingi na kuongeza viwango vya kaboni dioksidi katika angahewa. Mchakato wa mwako wa mafuta unaambatana na matumizi ya oksijeni ya anga kwa kiwango ambacho kinazidi uzalishaji wake kwa mimea yote ya nchi kavu.

Sehemu kubwa ya joto kutoka kwa injini hutupwa kwenye mazingira. Utaratibu huu, unaochochewa na athari ya chafu, husababisha ongezeko la wastani wa joto la kila mwaka duniani. Na ongezeko la joto duniani limejaa matokeo mabaya kwa ustaarabu mzima.

Ili kuzuia hali kuwa mbaya zaidi, ni muhimu kusafisha kwa ufanisi gesi za kutolea nje na kubadili viwango vipya vya mazingira ambavyo vinaweka mahitaji magumu zaidi ya maudhui ya vitu vyenye madhara katika gesi za kutolea nje.

Ni muhimu sana kutumia mafuta yenye ubora wa juu tu. Matarajio mazuri yanatarajiwa kutokana na kutumia hidrojeni kama mafuta, kwa kuwa mwako wake hutoa maji badala ya uzalishaji unaodhuru.

Katika siku za usoni, sehemu kubwa ya magari yanayotumia petroli itabadilishwa na magari ya umeme.

Ikiwa ujumbe huu ulikuwa muhimu kwako, ningefurahi kukuona