Жылу қозғалтқыштары
Адамзат өз өмірінде механикалық жұмыс жасауға арналған қондырғыларды қозғалтқыштарды қашаннан пайдаланып келеді. Олар энергияның қандай түрін механикалық энергияға айналдыратынына байланысты жылу механикалық электр қозғалтқыштары болып бөлінеді. Жылу қозғалтқыштары кең қолданыс тапты. Жылу қозғалтқыштары деп отынның-ішкі энергиясын механикалық айналдыратын қозғалтқыштарды айтады. Жылу козғалтқыштарының конструкциялары әрқилы, бірақ олардың барлығына да тән бір қасиет бар, ол циклдік процесс, соның нәтижесінде жұмыстық дене бастапқы қалпына кайтып оралады. Демек, жылу қозғалтқыштары дөңгелек цикл бойынша жұмыс атқарады. Дөңгелек цикл деп термодинамикалық жүйенің бірқатар аралық күйлерді өтіп, бастапқы күйге қайтып оралатын процесі аталады. Дөңгелек процестерде басты рөлді олардың өту бағыты атқарады, себебі термодинамикалық жүйенің өзгерісі екі бағытта өтеді (температураның артуы және төмендеуі, сығылуы және ұлғаюы).
Циклдік процестер қайтымды және қайтымсыз болып екіге бөлінеді. Қайтымды деп газдың 2-күйден 1-күйге өткенде оның 1-куйден 2-куйге өткен кездегі аралық нуктелерін басып өтетін процесс аталады. Қайтымсыз процестерде бұл жоқ. Демек, қайтымды процесс дегеніміз — жүйені бастапқы күйге қоршаған ортада ешқандай өзгеріс тудырмай алып келуге мумкіндік беретін процесс болып табылады. Қайтымды процестері вакуумды абсолют серпімді шардың абсолют серпімді плитаға түсуін, маятниктің тербелісін жатқызуға болады. Үйкеліс болатын кез келген процесс — қайтымсыз, себебі үйкеліс кезінде механикалық жұмыстың бір бөлігі жылуға айналады. Осыдан кез келген реалды процестің қайтымсыздығы реалды процесттың қайтымсыздығы шығады. Қыздырылған денеден салқынырақ денеге жылу берілу арқылы өтетін барлық процестер қайтымсыз. Газдың ұлғаюы қайтымсыз процесс, себебі газ өздігінен сығыла алмайды. Әр түрлі процестердің қайтымдылық дәрежесі түрліше болады және оның практика үшін маңызы зор.
Циклдік процестер қайтымды және қайтымсыз болып екіге бөлінеді. Қайтымды деп газдың 2-күйден 1-күйге өткенде оның 1-куйден 2-куйге өткен кездегі аралық нуктелерін басып өтетін процесс аталады. Қайтымсыз процестерде бұл жоқ. Демек, қайтымды процесс дегеніміз — жүйені бастапқы күйге қоршаған ортада ешқандай өзгеріс тудырмай алып келуге мумкіндік беретін процесс болып табылады. Қайтымды процестері вакуумды абсолют серпімді шардың абсолют серпімді плитаға түсуін, маятниктің тербелісін жатқызуға болады. Үйкеліс болатын кез келген процесс — қайтымсыз, себебі үйкеліс кезінде механикалық жұмыстың бір бөлігі жылуға айналады. Осыдан кез келген реалды процестің қайтымсыздығы реалды процесттың қайтымсыздығы шығады. Қыздырылған денеден салқынырақ денеге жылу берілу арқылы өтетін барлық процестер қайтымсыз. Газдың ұлғаюы қайтымсыз процесс, себебі газ өздігінен сығыла алмайды. Әр түрлі процестердің қайтымдылық дәрежесі түрліше болады және оның практика үшін маңызы зор.
Жылу қозғалтқыштары
Адамзат өз өмірінде механикалық жұмыс жасауға арналған қондырғыларды
қозғалтқыштарды қашаннан пайдаланып келеді. Олар энергияның қандай түрін
механикалық энергияға айналдыратынына байланысты жылу механикалық электр
қозғалтқыштары болып бөлінеді. Жылу қозғалтқыштары кең қолданыс тапты. Жылу
қозғалтқыштары деп отынның-ішкі энергиясын механикалық айналдыратын
қозғалтқыштарды айтады. Жылу козғалтқыштарының конструкциялары әрқилы,
бірақ олардың барлығына да тән бір қасиет бар, ол циклдік процесс, соның
нәтижесінде жұмыстық дене бастапқы қалпына кайтып оралады. Демек, жылу
қозғалтқыштары дөңгелек цикл бойынша жұмыс атқарады. Дөңгелек цикл деп
термодинамикалық жүйенің бірқатар аралық күйлерді өтіп, бастапқы күйге
қайтып оралатын процесі аталады. Дөңгелек процестерде басты рөлді олардың
өту бағыты атқарады, себебі термодинамикалық жүйенің өзгерісі екі бағытта
өтеді (температураның артуы және төмендеуі, сығылуы және ұлғаюы).
Циклдік процестер қайтымды және қайтымсыз болып екіге бөлінеді.
Қайтымды деп газдың 2-күйден 1-күйге өткенде оның 1-куйден 2-куйге өткен
кездегі аралық нуктелерін басып өтетін процесс аталады. Қайтымсыз
процестерде бұл жоқ. Демек, қайтымды процесс дегеніміз — жүйені бастапқы
күйге қоршаған ортада ешқандай өзгеріс тудырмай алып келуге мумкіндік
беретін процесс болып табылады. Қайтымды процестері вакуумды абсолют
серпімді шардың абсолют серпімді плитаға түсуін, маятниктің тербелісін
жатқызуға болады. Үйкеліс болатын кез келген процесс — қайтымсыз, себебі
үйкеліс кезінде механикалық жұмыстың бір бөлігі жылуға айналады. Осыдан кез
келген реалды процестің қайтымсыздығы реалды процесттың қайтымсыздығы
шығады. Қыздырылған денеден салқынырақ денеге жылу берілу арқылы өтетін
барлық процестер қайтымсыз. Газдың ұлғаюы қайтымсыз процесс, себебі газ
өздігінен сығыла алмайды. Әр түрлі процестердің қайтымдылық дәрежесі
түрліше болады және оның практика үшін маңызы зор.
5.7-суретте өрнектелген дөңгелек процесті карастырайық. Q1 жылу
мөлшерін алу нәтижесінде газ А күйден В күйге өтеді. Газ АСВ бойымен
ұлғаяды. Содан кейін газды BDA бойымен сығады. Жылу мөлшері Q1 O1 яғни
оң, себебі жүйе (газ) жылуды алады.
Жүйенің А күйде UA-ға, ал В күйде Uв-ға тең ішкі энергиясы бар. Жүйенің
АСВ бойымен ұлғаю процесі үшін термодинамиканың бірінші заңын қолданайық:
Q1 = UB - UA + А1, А1, 0 (5.7, а-сурет), себебі жүйенің өзі жұмыс
атқарады. BDA бойымен сығылу процесі үшін термодинамиканың бірішпі заңы -Q2
= UA - UB - А2 түрде жазылады. А2 0, себебі жұмыс сыртқы денемен (сыртқы
күш жұмысы) атқарылады.
5.7-сурет
Осы екі теңдеуді қоссак, онда мұндағы A — циклдің жұмысы, ол ACBDA
тұзағының ауданына тең.
Қыздырғыштан Q1 жылу мөлшерін алып және Q2 мөлшерін жоғалту кезінде
атқарылатын жұмыстың дөңгелек процесін тура цикл деп атайды. Тура циклде
газ жоғары температура кезінде ұлғаяды да, ал төменгі температурада
сығылады. Барлық жылу машиналары тура циклдерде жұмыс атқарады. Мұндай
циклдің ПӘК-і
5.8-сурет
Бұл—жылу маишнасының термиялық (немесе термодинамикалық) ПӘК-і,
1 болады. Кез келген жылу машинасының қыздырғышты, жұмыстық денесі және
салқындатқышы болуы тиіс (5.8-сурет). Қыздырғыш жұмыстық денеге қайсыбір Q1
жылу мөлшерін береді, бұл оның ішкі энергиясын арттырады. Жұмыстық дене
ішкі энергия есебінен жұмыс атқарады. Жұмыстық дене бастапқы күйге қайтып
оралу үшін одан қайсыбір жылу мөлшерін Q2 алу керек. Әйтпесе газ қызып,
сығылу процесінен кейін температурасы бастапқыдан артық болады. Міне, осы
үшін оны тоңазытқышпен жанастырады. Салқындатқыш деп жұмыстық дененің
сығылуы кезінде жылу беретін дене аталады. Салқыңдатқышты басқаша
тоңазытқыш деп атайды.
Барлық тоңазытқыш техникалардың жұмысы негізделген кері циклді
қарастырайық (5.9-сурет). Бұл жағдайда газ төменгі температура кезінде
ұлғаяды да, ал жоғары температура кезінде сығылады.
Сонда ұлғаю процесі үшін термодинамиканың бірінші заңы, яғни АСВ
бойымен ұлғаю үшін Q1 = UB-UA + А1 болып жазылады.
Ал сығылу процесі үшін (BDA бойымен) термодинамиканың бірінші заңы
былай жазылады:
-Q2 = UA-UB- A2. Осы екі теңдеуді қоссақ, Q1-Q2 = A1-A2 = - A0 аламыз.
Q1-Q20,яғни Q1 Q2. Соңымен жүйе жылуды көп беріп,аз алады. Мұндай
машиналар тоңазытқыштар деп аталады. Тоңазытқыш машиналарда жылу салқынырақ
денеден алынып, ыстық денеге беріледі. Бұл жерде жылудың өз бетінше
берілмейтінін ескеру керек, жылу жұмыс атқару арқылы ғана беріледі, яғни
тоңазытқыш машина үшін
5.9-сурет
Тоңазытқыш машина жылу сорғыш тәрізді жұмыс істейді. Ол денеден жылуды
сорып алады. Тоңазытқыш машинаның мақсаты қандай да бір резервуарды суытып,
алған жылуды қоршаған ортаға беру болып табылады. Жылу насосының жұмысы
қоршаған ортадан жылу алып, резервуарды қыздыру.
5.10-сурет
Сади Карноның идеал жылу машинасы. XIX ғасырдан бастап Жер бетінде жылу
машиналары қаптап кетті. Бірақ бұл машиналардың ПӘК-і өте төмен болды. Бу
машиналарында ПӘК-і бар болғаны 8—9%, ал алғашқы іштен жанатын поршеньді
қозғалтқыштардыкі 12—20%. Жылу машиналарының ПӘК-ін қалай көтеруге болады
деген мәселе туды. Бұл мәселені шешуде француз физигі Сади Карно көп еңбек
етті. Ол өзінің зерттеулерінің нәтижесін 1824 ж. "Оттың қозғаушы күші және
осы күшті пайдалана алатын машиналар туралы ойлар" деген еңбегінде жария
етті. С. Карно максимал мүмкін ПӘК-і бар идеал машина жасамақ болды
(теориялық жолмен). Оның идеал жылу машинасы идеал газбен және ешқандай
шығынсыз жұмыс істейтін еді. Мұндай теориялық машина жұмыс істейтін цикл
Карно циклі деп аталды. Ол екі изотермадан және екі адиабатадан тұратын
тұйықталған және төмендегідей тәртіппен өтетін процесс еді (5.10-сурет).
Түбі жылуды жақсы өткізетін цилиндрдің ішіндегі поршень астындағы газ
температурасы Т1 болатын қыздырғыштан (5.11, а-сурет) жылу алады.
Изотермалық түрде ұлғая отырып, газ А12 жұмыс атқарады (5.11, а-сурет).
Осыдан кейін цилиндр түгелдей жылулық оқшауланады да (5.12, а-сурет), газ
адиабаталы ұлғая отырып, А23 (5.12, ә-сурет) жұмыс атқарады. Осы кезде
газдың температурасы Т2-ге дейін түседі, себебі бұл жолы жұмыс газдың ішкі
энергиясы есебінен жүреді. Енді жылу оқшаулағышты алып тастайды да, газды
тоңазытқышқа жанастырып, изотермалық түрде сығып, газ температурасы
өзгермеу үшін одан Q2 жылуды алып, оны тоңазытқыпща береді (5.13, а-сурет).
Газ сығыла отьфьш А34 теріс жұмыс жасайды (5.13, ә-сурет).
5.11-сурет
5.12-сурет
5.13-сурет
5.14-сурет
Соңында тағы да цилиндрдің түбін жылу оқшаулап (5.14, а-сурет), газды
адиабаталы түрде сығады да (бұл кезде А41 теріс жұмыс жасалады, оны
бастапқы температурасы Т1 күйге әкеледі (5.14, ә-сурет). Карно циклі pV
координаталарында 5.10-суреттегідей көрсетілген. Суретте адиабаталар
изотермаларға қарағанда тіктеу келеді, себебі онда температуралар өзгереді.
Есеп жүргізе келіп С. Карно идеал жылу машинасының ПӘК-ін есептейтін
формуласын алды.
Осы формуланы қорытьш шығарайық, ол үшін идеал газдың бір молімен
өтетін Карно цикліндегі процестерді сипаттайық.
1.1—2-бөліктегі изотермалық ұлғаю:
мұндағы In белгісі натурал логарифм дегенді білдіреді, яғни е 2,72
негізі бойынша алынған логарифм. Бұл процесте газ берілетін жылудьщ
есебінен жүмыс атқарады, ал ішкі энергия өзгермейді.
2. 2—3-бөлікте адиабаталық ұлғаю жылу алмасусыз өтеді, сондық-тан газ
ұлғаю кезіддеіі жұмысы А23=Су(Т2 - TJ, мұндағы Су—тұрақты
[ көлемдегі жылусыйымдьшьщ.
3. 3—4-бөліктегі изотермалық сығылу:
4. 4—1 бөліктегі жылу алмасусыз өтетін адиабаталык сығылу, сондыктан
А41 = cv(T1 - Т2) = -cv(T2 - TJ. Бір Карно циклішң жүмысы
екешн дөлелдейік. Адиабаталык үлғаю үттгін (2—3-процестер)
Бұл адиабаталық процесті сипаттайтьш Пуассон тпецдеуі.
Адиабаталық сыіылу үшін
Бұл да Пуассон тендеуі.
Сощы екі теңдеуді бір-біріне бөлсек,
Изотермалык ұлғаю үшін (1—2)p1V1 =P2V2 (Бойль—Мариотт заңы) орындалады,
яғни
Изотермалык сьнылу үпгін (3—4)psV3=p^A (Бойль—Мариотт заңы), яғни
(2) жөне (3) формулаларын (1)-ге қойсақ, онда
яғни
аламыз. Сонда бір моль газ үшін Карноның бір циклінің
жұмысы
болады. Карно циклішң пайдалы өрекет
коэффициенті
немесе
Жылу машинасының максимал ПӘК-ін алудың екі жолы бар: біріншісі,
қыздырғыштың өте жоғары температурасын алу, бірақ бұл мүмкін емес, себебі
ешкандай цилиндр мүндай температурага шыдамайды, балқып кетеді; екінпгісі,
тоңазыткыштың температурасын абсолют нөлге жуьщтату. Бүл үшін қосымша
энергия жүмсау қажет. Бірақ абсолют нөлге жету мүмкін емес.
Қорытынды: идеал жылу машинасыньщ да ПӘК-і өркашанда бірден кіші. Реал
жылу мапшналары үпгін ең қонымды тоңазытқьпп-
тар атмосфералық ауа мен 300 К шамалас температурадағы су болып
табылады. Сонда егер температурасы 900 К қыздырғышты пайдалана-
тын болсақ, онда ПӘК-і
яғни т = 67% болады.
Бұл идеал жағдайда, ал реал жағдайда жылу машиналарының ПӘК-і шамамен
45%.
(5.27) формуланы талдай отырып, Карно мынадай қорытын-дыға келді:
Тх жөне Т2 телтературалар (Тх— қыздырғыштың температурасы, ал Т2—
тоңазыткыштьщ температурасы) аралыеында жумыс іапейтін кез келген жылу
машшшсының ПӘК-і осы температуралар аралыгында екі изотерма мен екі
адиабатадан тщратын цикл бойынша щжыс істейтін идеал жылу машинасътың ПӘК-
інен артық бола алтайды.
Карно циклінің ПӘК-і тек қыздырғыш пен тоңазытқыштың тем-
ператураларымен аныкталады жөне жұмыс денесіне, қозғалткыштың
конфигурациясына (күрылымына) төуелсіз.
Жылу машиналарының түрлері және қолданылуы. Жылу қозғалтқыштарын
дамытуда адамзат аса қомақты жұмыс атқарды. Осы күнгі жылу
қозғалткьпитарыньщ ПӘК-і 8—12% болатын алғашкы жылу машиналарынан
айырмашылығы жер мен көктей. Мысалы, осы заманғы бу машиналарыньщ ПӘК-і 9%-
дан аспайды. Бу машинасының орнына жұмысқа ыңғайлы өрі ПӘК-і жоғары іштен
жанатын козғалтқыштар келді. Отынның жаңа түрлері алынғаннан кейін (бензин
мен керосин) карбюраторлы қозғалтқыш ойлап табылды, оньщ цилиндрінде бензин
мен ауа коспасы пайда болады да, жанғыш қоспа жану кезінде жұмыс денесіне
жылу беріп, оның ішкі энергиясын арттыра түседі. Іштен жанатын поршеньді
қозғалтқыштар үшін отынның толық жануын сипаттайтын өрі ПӘК-іне күшті
өрекет ететін аса маңызды сипаттама жанғыш қоспаның сығылу дөрежесі
болыптабылады:
мұндағы V2 жөне Vx — сығылудың басындағы жөне
соңындағы көлемдер. Сығылу дөрежесі жоғарылаған сайын сығылу тактісінің
ақырында жанғыш қоспаның бастапқы температурасы артады да бүл қоспаның
толығырак жануына ықпалын тигізеді. Осы күнгі карбюраторлык қозғалткыштарда
е = 8. Сығылу дөрежесін одан өрі арттыруға детонация (өздігінен жану)
мүмкіндік бермейді. Бүл қозғалткыштың цилиндріне кері өсер етеді жөне
қозғалт-қыштардың куатьш жөне ПӘК-ін төмендетеді. Мүнымен күресу үшін
бензинге антидетонациялық қоспалар косады. Ііытен жану қозғалт-қыштарыньщ
ПӘК-ін одан өрі жоғарылату мақсатында 1892 ж. неміс инженері Р. Дизель
жүмыс денесінің сығылу дөрежесін одан өрі көтеруді жөне түрақты кысым
кезінде үлғайтуды үсынды. Дизельді қозғалтқышта сығылудың жоғары дөрежесі
жанғыш қоспаны емес,
ауаны сығу арқылы іске асырылады. Сығылу тактісі аякталар мезетте
цилиндрге жанғыш зат (отьш) бүркіледі, оны жандыруға арнаулы кондырғы қажет
емес (мүның рөлін карбюраторлық қозғалтқышта түтаткыш шырак атқарады),
себебі адиабаталык сығылу кезінде цилиндрдегі температура 600—700°С-қа
жетеді. Отынның жаігуына бүл өбден жеткілікті. Қазіргі дизельді
қозғалтқыштардың сығылу дврежесі е 16 — 21, ПӘК-і 40% шамасында. Осы күнгі
дизель қозғалт-кыштары өлсіз қоспалармен жүмыс істейді, ал бүл отынның
толык жануына жөне шығарылатын зиянды газды заттардың аз болуына жол ашады.
Дизель козғалтқыштары карбюраторлық қозғалтқыш-тарға карағанда қуаттырақ.
Қазіргі кезде инженерлер бу турбиналарына кайта оралды, себебі оларды
кызықтьфатьш нөрсе — қондырғыньщ жөне оның жүмыс істеу принципінщ
қарапайымдылығы, сонымен қатар жүмыс денесі ретінде су буының пайдаланылуы.
Бүл саладағы жүмыстар бу турбинасының ПӘК-ін 40%-ға дейін жеткізді. Бу
турбиналары конденсациялык электростанцияларда, су транспорттарында кең
қолданылады.
Турбинасы бар жылу машинасында қазан мен отын жаққышты, отын жағуды
жүмыстық денемен біріктіру идеясы ақыры газ турби-наларын жасауға алып
келді. Мүнда үлкен көлемді бу казандары мен бу турбиналары жоқ, сонымен
қатар поршеньдер де, ілгерілемелі-кай-тымды қозғалысты айналмалы қозғалысқа
айналдыратын меха-низмдер де жок. Сондықтан газ турбиналык қозғалтқыштар
қуаты дөл осьшдай дизель қозғалтқыштарына қарағанда үш еседей аз орын
алады. Ықшам, куатты газ турбиналык қозғалткыштар авиацияда жөне су
катынасында қолдануға колайлы.
Газ ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Адамзат өз өмірінде механикалық жұмыс жасауға арналған қондырғыларды
қозғалтқыштарды қашаннан пайдаланып келеді. Олар энергияның қандай түрін
механикалық энергияға айналдыратынына байланысты жылу механикалық электр
қозғалтқыштары болып бөлінеді. Жылу қозғалтқыштары кең қолданыс тапты. Жылу
қозғалтқыштары деп отынның-ішкі энергиясын механикалық айналдыратын
қозғалтқыштарды айтады. Жылу козғалтқыштарының конструкциялары әрқилы,
бірақ олардың барлығына да тән бір қасиет бар, ол циклдік процесс, соның
нәтижесінде жұмыстық дене бастапқы қалпына кайтып оралады. Демек, жылу
қозғалтқыштары дөңгелек цикл бойынша жұмыс атқарады. Дөңгелек цикл деп
термодинамикалық жүйенің бірқатар аралық күйлерді өтіп, бастапқы күйге
қайтып оралатын процесі аталады. Дөңгелек процестерде басты рөлді олардың
өту бағыты атқарады, себебі термодинамикалық жүйенің өзгерісі екі бағытта
өтеді (температураның артуы және төмендеуі, сығылуы және ұлғаюы).
Циклдік процестер қайтымды және қайтымсыз болып екіге бөлінеді.
Қайтымды деп газдың 2-күйден 1-күйге өткенде оның 1-куйден 2-куйге өткен
кездегі аралық нуктелерін басып өтетін процесс аталады. Қайтымсыз
процестерде бұл жоқ. Демек, қайтымды процесс дегеніміз — жүйені бастапқы
күйге қоршаған ортада ешқандай өзгеріс тудырмай алып келуге мумкіндік
беретін процесс болып табылады. Қайтымды процестері вакуумды абсолют
серпімді шардың абсолют серпімді плитаға түсуін, маятниктің тербелісін
жатқызуға болады. Үйкеліс болатын кез келген процесс — қайтымсыз, себебі
үйкеліс кезінде механикалық жұмыстың бір бөлігі жылуға айналады. Осыдан кез
келген реалды процестің қайтымсыздығы реалды процесттың қайтымсыздығы
шығады. Қыздырылған денеден салқынырақ денеге жылу берілу арқылы өтетін
барлық процестер қайтымсыз. Газдың ұлғаюы қайтымсыз процесс, себебі газ
өздігінен сығыла алмайды. Әр түрлі процестердің қайтымдылық дәрежесі
түрліше болады және оның практика үшін маңызы зор.
5.7-суретте өрнектелген дөңгелек процесті карастырайық. Q1 жылу
мөлшерін алу нәтижесінде газ А күйден В күйге өтеді. Газ АСВ бойымен
ұлғаяды. Содан кейін газды BDA бойымен сығады. Жылу мөлшері Q1 O1 яғни
оң, себебі жүйе (газ) жылуды алады.
Жүйенің А күйде UA-ға, ал В күйде Uв-ға тең ішкі энергиясы бар. Жүйенің
АСВ бойымен ұлғаю процесі үшін термодинамиканың бірінші заңын қолданайық:
Q1 = UB - UA + А1, А1, 0 (5.7, а-сурет), себебі жүйенің өзі жұмыс
атқарады. BDA бойымен сығылу процесі үшін термодинамиканың бірішпі заңы -Q2
= UA - UB - А2 түрде жазылады. А2 0, себебі жұмыс сыртқы денемен (сыртқы
күш жұмысы) атқарылады.
5.7-сурет
Осы екі теңдеуді қоссак, онда мұндағы A — циклдің жұмысы, ол ACBDA
тұзағының ауданына тең.
Қыздырғыштан Q1 жылу мөлшерін алып және Q2 мөлшерін жоғалту кезінде
атқарылатын жұмыстың дөңгелек процесін тура цикл деп атайды. Тура циклде
газ жоғары температура кезінде ұлғаяды да, ал төменгі температурада
сығылады. Барлық жылу машиналары тура циклдерде жұмыс атқарады. Мұндай
циклдің ПӘК-і
5.8-сурет
Бұл—жылу маишнасының термиялық (немесе термодинамикалық) ПӘК-і,
1 болады. Кез келген жылу машинасының қыздырғышты, жұмыстық денесі және
салқындатқышы болуы тиіс (5.8-сурет). Қыздырғыш жұмыстық денеге қайсыбір Q1
жылу мөлшерін береді, бұл оның ішкі энергиясын арттырады. Жұмыстық дене
ішкі энергия есебінен жұмыс атқарады. Жұмыстық дене бастапқы күйге қайтып
оралу үшін одан қайсыбір жылу мөлшерін Q2 алу керек. Әйтпесе газ қызып,
сығылу процесінен кейін температурасы бастапқыдан артық болады. Міне, осы
үшін оны тоңазытқышпен жанастырады. Салқындатқыш деп жұмыстық дененің
сығылуы кезінде жылу беретін дене аталады. Салқыңдатқышты басқаша
тоңазытқыш деп атайды.
Барлық тоңазытқыш техникалардың жұмысы негізделген кері циклді
қарастырайық (5.9-сурет). Бұл жағдайда газ төменгі температура кезінде
ұлғаяды да, ал жоғары температура кезінде сығылады.
Сонда ұлғаю процесі үшін термодинамиканың бірінші заңы, яғни АСВ
бойымен ұлғаю үшін Q1 = UB-UA + А1 болып жазылады.
Ал сығылу процесі үшін (BDA бойымен) термодинамиканың бірінші заңы
былай жазылады:
-Q2 = UA-UB- A2. Осы екі теңдеуді қоссақ, Q1-Q2 = A1-A2 = - A0 аламыз.
Q1-Q20,яғни Q1 Q2. Соңымен жүйе жылуды көп беріп,аз алады. Мұндай
машиналар тоңазытқыштар деп аталады. Тоңазытқыш машиналарда жылу салқынырақ
денеден алынып, ыстық денеге беріледі. Бұл жерде жылудың өз бетінше
берілмейтінін ескеру керек, жылу жұмыс атқару арқылы ғана беріледі, яғни
тоңазытқыш машина үшін
5.9-сурет
Тоңазытқыш машина жылу сорғыш тәрізді жұмыс істейді. Ол денеден жылуды
сорып алады. Тоңазытқыш машинаның мақсаты қандай да бір резервуарды суытып,
алған жылуды қоршаған ортаға беру болып табылады. Жылу насосының жұмысы
қоршаған ортадан жылу алып, резервуарды қыздыру.
5.10-сурет
Сади Карноның идеал жылу машинасы. XIX ғасырдан бастап Жер бетінде жылу
машиналары қаптап кетті. Бірақ бұл машиналардың ПӘК-і өте төмен болды. Бу
машиналарында ПӘК-і бар болғаны 8—9%, ал алғашқы іштен жанатын поршеньді
қозғалтқыштардыкі 12—20%. Жылу машиналарының ПӘК-ін қалай көтеруге болады
деген мәселе туды. Бұл мәселені шешуде француз физигі Сади Карно көп еңбек
етті. Ол өзінің зерттеулерінің нәтижесін 1824 ж. "Оттың қозғаушы күші және
осы күшті пайдалана алатын машиналар туралы ойлар" деген еңбегінде жария
етті. С. Карно максимал мүмкін ПӘК-і бар идеал машина жасамақ болды
(теориялық жолмен). Оның идеал жылу машинасы идеал газбен және ешқандай
шығынсыз жұмыс істейтін еді. Мұндай теориялық машина жұмыс істейтін цикл
Карно циклі деп аталды. Ол екі изотермадан және екі адиабатадан тұратын
тұйықталған және төмендегідей тәртіппен өтетін процесс еді (5.10-сурет).
Түбі жылуды жақсы өткізетін цилиндрдің ішіндегі поршень астындағы газ
температурасы Т1 болатын қыздырғыштан (5.11, а-сурет) жылу алады.
Изотермалық түрде ұлғая отырып, газ А12 жұмыс атқарады (5.11, а-сурет).
Осыдан кейін цилиндр түгелдей жылулық оқшауланады да (5.12, а-сурет), газ
адиабаталы ұлғая отырып, А23 (5.12, ә-сурет) жұмыс атқарады. Осы кезде
газдың температурасы Т2-ге дейін түседі, себебі бұл жолы жұмыс газдың ішкі
энергиясы есебінен жүреді. Енді жылу оқшаулағышты алып тастайды да, газды
тоңазытқышқа жанастырып, изотермалық түрде сығып, газ температурасы
өзгермеу үшін одан Q2 жылуды алып, оны тоңазытқыпща береді (5.13, а-сурет).
Газ сығыла отьфьш А34 теріс жұмыс жасайды (5.13, ә-сурет).
5.11-сурет
5.12-сурет
5.13-сурет
5.14-сурет
Соңында тағы да цилиндрдің түбін жылу оқшаулап (5.14, а-сурет), газды
адиабаталы түрде сығады да (бұл кезде А41 теріс жұмыс жасалады, оны
бастапқы температурасы Т1 күйге әкеледі (5.14, ә-сурет). Карно циклі pV
координаталарында 5.10-суреттегідей көрсетілген. Суретте адиабаталар
изотермаларға қарағанда тіктеу келеді, себебі онда температуралар өзгереді.
Есеп жүргізе келіп С. Карно идеал жылу машинасының ПӘК-ін есептейтін
формуласын алды.
Осы формуланы қорытьш шығарайық, ол үшін идеал газдың бір молімен
өтетін Карно цикліндегі процестерді сипаттайық.
1.1—2-бөліктегі изотермалық ұлғаю:
мұндағы In белгісі натурал логарифм дегенді білдіреді, яғни е 2,72
негізі бойынша алынған логарифм. Бұл процесте газ берілетін жылудьщ
есебінен жүмыс атқарады, ал ішкі энергия өзгермейді.
2. 2—3-бөлікте адиабаталық ұлғаю жылу алмасусыз өтеді, сондық-тан газ
ұлғаю кезіддеіі жұмысы А23=Су(Т2 - TJ, мұндағы Су—тұрақты
[ көлемдегі жылусыйымдьшьщ.
3. 3—4-бөліктегі изотермалық сығылу:
4. 4—1 бөліктегі жылу алмасусыз өтетін адиабаталык сығылу, сондыктан
А41 = cv(T1 - Т2) = -cv(T2 - TJ. Бір Карно циклішң жүмысы
екешн дөлелдейік. Адиабаталык үлғаю үттгін (2—3-процестер)
Бұл адиабаталық процесті сипаттайтьш Пуассон тпецдеуі.
Адиабаталық сыіылу үшін
Бұл да Пуассон тендеуі.
Сощы екі теңдеуді бір-біріне бөлсек,
Изотермалык ұлғаю үшін (1—2)p1V1 =P2V2 (Бойль—Мариотт заңы) орындалады,
яғни
Изотермалык сьнылу үпгін (3—4)psV3=p^A (Бойль—Мариотт заңы), яғни
(2) жөне (3) формулаларын (1)-ге қойсақ, онда
яғни
аламыз. Сонда бір моль газ үшін Карноның бір циклінің
жұмысы
болады. Карно циклішң пайдалы өрекет
коэффициенті
немесе
Жылу машинасының максимал ПӘК-ін алудың екі жолы бар: біріншісі,
қыздырғыштың өте жоғары температурасын алу, бірақ бұл мүмкін емес, себебі
ешкандай цилиндр мүндай температурага шыдамайды, балқып кетеді; екінпгісі,
тоңазыткыштың температурасын абсолют нөлге жуьщтату. Бүл үшін қосымша
энергия жүмсау қажет. Бірақ абсолют нөлге жету мүмкін емес.
Қорытынды: идеал жылу машинасыньщ да ПӘК-і өркашанда бірден кіші. Реал
жылу мапшналары үпгін ең қонымды тоңазытқьпп-
тар атмосфералық ауа мен 300 К шамалас температурадағы су болып
табылады. Сонда егер температурасы 900 К қыздырғышты пайдалана-
тын болсақ, онда ПӘК-і
яғни т = 67% болады.
Бұл идеал жағдайда, ал реал жағдайда жылу машиналарының ПӘК-і шамамен
45%.
(5.27) формуланы талдай отырып, Карно мынадай қорытын-дыға келді:
Тх жөне Т2 телтературалар (Тх— қыздырғыштың температурасы, ал Т2—
тоңазыткыштьщ температурасы) аралыеында жумыс іапейтін кез келген жылу
машшшсының ПӘК-і осы температуралар аралыгында екі изотерма мен екі
адиабатадан тщратын цикл бойынша щжыс істейтін идеал жылу машинасътың ПӘК-
інен артық бола алтайды.
Карно циклінің ПӘК-і тек қыздырғыш пен тоңазытқыштың тем-
ператураларымен аныкталады жөне жұмыс денесіне, қозғалткыштың
конфигурациясына (күрылымына) төуелсіз.
Жылу машиналарының түрлері және қолданылуы. Жылу қозғалтқыштарын
дамытуда адамзат аса қомақты жұмыс атқарды. Осы күнгі жылу
қозғалткьпитарыньщ ПӘК-і 8—12% болатын алғашкы жылу машиналарынан
айырмашылығы жер мен көктей. Мысалы, осы заманғы бу машиналарыньщ ПӘК-і 9%-
дан аспайды. Бу машинасының орнына жұмысқа ыңғайлы өрі ПӘК-і жоғары іштен
жанатын козғалтқыштар келді. Отынның жаңа түрлері алынғаннан кейін (бензин
мен керосин) карбюраторлы қозғалтқыш ойлап табылды, оньщ цилиндрінде бензин
мен ауа коспасы пайда болады да, жанғыш қоспа жану кезінде жұмыс денесіне
жылу беріп, оның ішкі энергиясын арттыра түседі. Іштен жанатын поршеньді
қозғалтқыштар үшін отынның толық жануын сипаттайтын өрі ПӘК-іне күшті
өрекет ететін аса маңызды сипаттама жанғыш қоспаның сығылу дөрежесі
болыптабылады:
мұндағы V2 жөне Vx — сығылудың басындағы жөне
соңындағы көлемдер. Сығылу дөрежесі жоғарылаған сайын сығылу тактісінің
ақырында жанғыш қоспаның бастапқы температурасы артады да бүл қоспаның
толығырак жануына ықпалын тигізеді. Осы күнгі карбюраторлык қозғалткыштарда
е = 8. Сығылу дөрежесін одан өрі арттыруға детонация (өздігінен жану)
мүмкіндік бермейді. Бүл қозғалткыштың цилиндріне кері өсер етеді жөне
қозғалт-қыштардың куатьш жөне ПӘК-ін төмендетеді. Мүнымен күресу үшін
бензинге антидетонациялық қоспалар косады. Ііытен жану қозғалт-қыштарыньщ
ПӘК-ін одан өрі жоғарылату мақсатында 1892 ж. неміс инженері Р. Дизель
жүмыс денесінің сығылу дөрежесін одан өрі көтеруді жөне түрақты кысым
кезінде үлғайтуды үсынды. Дизельді қозғалтқышта сығылудың жоғары дөрежесі
жанғыш қоспаны емес,
ауаны сығу арқылы іске асырылады. Сығылу тактісі аякталар мезетте
цилиндрге жанғыш зат (отьш) бүркіледі, оны жандыруға арнаулы кондырғы қажет
емес (мүның рөлін карбюраторлық қозғалтқышта түтаткыш шырак атқарады),
себебі адиабаталык сығылу кезінде цилиндрдегі температура 600—700°С-қа
жетеді. Отынның жаігуына бүл өбден жеткілікті. Қазіргі дизельді
қозғалтқыштардың сығылу дврежесі е 16 — 21, ПӘК-і 40% шамасында. Осы күнгі
дизель қозғалт-кыштары өлсіз қоспалармен жүмыс істейді, ал бүл отынның
толык жануына жөне шығарылатын зиянды газды заттардың аз болуына жол ашады.
Дизель козғалтқыштары карбюраторлық қозғалтқыш-тарға карағанда қуаттырақ.
Қазіргі кезде инженерлер бу турбиналарына кайта оралды, себебі оларды
кызықтьфатьш нөрсе — қондырғыньщ жөне оның жүмыс істеу принципінщ
қарапайымдылығы, сонымен қатар жүмыс денесі ретінде су буының пайдаланылуы.
Бүл саладағы жүмыстар бу турбинасының ПӘК-ін 40%-ға дейін жеткізді. Бу
турбиналары конденсациялык электростанцияларда, су транспорттарында кең
қолданылады.
Турбинасы бар жылу машинасында қазан мен отын жаққышты, отын жағуды
жүмыстық денемен біріктіру идеясы ақыры газ турби-наларын жасауға алып
келді. Мүнда үлкен көлемді бу казандары мен бу турбиналары жоқ, сонымен
қатар поршеньдер де, ілгерілемелі-кай-тымды қозғалысты айналмалы қозғалысқа
айналдыратын меха-низмдер де жок. Сондықтан газ турбиналык қозғалтқыштар
қуаты дөл осьшдай дизель қозғалтқыштарына қарағанда үш еседей аз орын
алады. Ықшам, куатты газ турбиналык қозғалткыштар авиацияда жөне су
катынасында қолдануға колайлы.
Газ ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz