गर्मी इंजन दक्षता। हीट इंजन दक्षता - परिभाषा सूत्र

ऊष्मा इंजन के सैद्धांतिक मॉडल में, तीन निकायों पर विचार किया जाता है: हीटर, काम करने वाला शरीरऔर फ्रिज.

हीटर - एक थर्मल जलाशय (बड़ा शरीर), जिसका तापमान स्थिर रहता है।

इंजन के संचालन के प्रत्येक चक्र में, काम कर रहे तरल पदार्थ हीटर से एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्राप्त करता है, फैलता है और यांत्रिक कार्य करता है। काम कर रहे तरल पदार्थ को उसकी मूल स्थिति में वापस लाने के लिए हीटर से प्राप्त ऊर्जा के हिस्से को रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित करना आवश्यक है।

चूंकि मॉडल मानता है कि गर्मी इंजन के संचालन के दौरान हीटर और रेफ्रिजरेटर का तापमान नहीं बदलता है, तो चक्र के अंत में: काम कर रहे तरल पदार्थ का हीटिंग-विस्तार-शीतलन-संपीड़न, यह माना जाता है कि मशीन वापस आती है अपनी मूल स्थिति में।

ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम के आधार पर प्रत्येक चक्र के लिए यह लिखा जा सकता है कि ऊष्मा की मात्रा क्यूहीटर से प्राप्त भार, ऊष्मा की मात्रा | क्यूठंडा |, रेफ्रिजरेटर को दिया गया, और कार्यशील निकाय द्वारा किया गया कार्य लेकिनएक दूसरे से संबंधित हैं:

ए = क्यूलोड - | क्यूठंडा|.

सच में तकनीकी उपकरण, जिन्हें ऊष्मा इंजन कहा जाता है, ईंधन के दहन के दौरान निकलने वाली ऊष्मा से कार्यशील द्रव गर्म होता है। तो, एक बिजली संयंत्र के भाप टरबाइन में, हीटर गर्म कोयले के साथ एक भट्टी है। इंजन में अन्तः ज्वलन(आईसीई) दहन उत्पादों को हीटर माना जा सकता है, और अतिरिक्त हवा को एक कार्यशील तरल पदार्थ माना जा सकता है। रेफ्रिजरेटर के रूप में, वे वातावरण की हवा या प्राकृतिक स्रोतों से पानी का उपयोग करते हैं।

एक ऊष्मा इंजन (मशीन) की दक्षता

हीट इंजन दक्षता (क्षमता)इंजन द्वारा किए गए कार्य का हीटर से प्राप्त ऊष्मा की मात्रा से अनुपात है:

किसी भी ऊष्मा इंजन की दक्षता एक से कम होती है और इसे प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है। हीटर से प्राप्त गर्मी की पूरी मात्रा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करने की असंभवता एक चक्रीय प्रक्रिया को व्यवस्थित करने की आवश्यकता के लिए भुगतान की जाने वाली कीमत है और ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम से अनुसरण करती है।

वास्तविक ताप इंजनों में, दक्षता प्रयोगात्मक यांत्रिक शक्ति द्वारा निर्धारित की जाती है एनइंजन और प्रति यूनिट समय में जलने वाले ईंधन की मात्रा। तो, अगर समय पर टीबड़े पैमाने पर ईंधन जल गया एमऔर दहन की विशिष्ट गर्मी क्यू, फिर

के लिये वाहनसंदर्भ विशेषता अक्सर मात्रा होती है वीरास्ते में जल गया ईंधन एसयांत्रिक इंजन शक्ति पर एनऔर गति से। इस मामले में, ईंधन के घनत्व r को ध्यान में रखते हुए, हम दक्षता की गणना के लिए एक सूत्र लिख सकते हैं:

ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम

कई सूत्र हैं ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम. उनमें से एक का कहना है कि एक ऊष्मा इंजन असंभव है, जो केवल ऊष्मा स्रोत के कारण ही काम करेगा, अर्थात। रेफ्रिजरेटर के बिना। विश्व महासागर इसके लिए आंतरिक ऊर्जा के व्यावहारिक रूप से अटूट स्रोत के रूप में काम कर सकता है (विल्हेम फ्रेडरिक ओस्टवाल्ड, 1901)।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के अन्य सूत्र इस एक के बराबर हैं।

क्लॉसियस का सूत्रीकरण(1850): एक प्रक्रिया असंभव है जिसमें गर्मी कम गर्म निकायों से अधिक गर्म निकायों में स्वचालित रूप से स्थानांतरित हो जाती है।

थॉमसन का सूत्रीकरण(1851): एक गोलाकार प्रक्रिया असंभव है, जिसका एकमात्र परिणाम थर्मल जलाशय की आंतरिक ऊर्जा को कम करके काम का उत्पादन होगा।

क्लॉसियस का सूत्रीकरण(1865): एक बंद गैर-संतुलन प्रणाली में सभी सहज प्रक्रियाएं ऐसी दिशा में होती हैं जिसमें सिस्टम की एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है; ऊष्मीय संतुलन की स्थिति में, यह अधिकतम और स्थिर होता है।

बोल्ट्जमैन का सूत्रीकरण(1877): कई कणों की एक बंद प्रणाली अनायास एक अधिक क्रमबद्ध अवस्था से कम क्रम वाली अवस्था में चली जाती है। संतुलन की स्थिति से प्रणाली का स्वतःस्फूर्त निकास असंभव है। बोल्ट्जमैन ने कई निकायों वाली प्रणाली में विकार का मात्रात्मक माप पेश किया - एन्ट्रापी.

एक काम कर रहे तरल पदार्थ के रूप में एक आदर्श गैस के साथ एक ताप इंजन की क्षमता

यदि वर्किंग बॉडी मॉडल में सेट किया गया है इंजन गर्म करें(उदाहरण के लिए, आदर्श गैस), तो विस्तार और संकुचन के दौरान काम कर रहे तरल पदार्थ के थर्मोडायनामिक मापदंडों में परिवर्तन की गणना करना संभव है। यह आपको ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों के आधार पर ऊष्मा इंजन की दक्षता की गणना करने की अनुमति देता है।

यह आंकड़ा उन चक्रों को दिखाता है जिनके लिए दक्षता की गणना की जा सकती है यदि कार्यशील द्रव एक आदर्श गैस है और एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया के दूसरे में संक्रमण के बिंदुओं पर पैरामीटर सेट किए गए हैं।

कार्नोट चक्र। एक आदर्श ऊष्मा इंजन की दक्षता

दिए गए हीटर तापमान पर उच्चतम दक्षता टीहीटिंग और रेफ्रिजरेटर टीकोल्ड में एक ऊष्मा इंजन होता है जहाँ कार्यशील द्रव फैलता है और साथ में सिकुड़ता है कार्नोट चक्र(चित्र 2), जिसके ग्राफ में दो समतापी (2–3 और 4–1) और दो रुद्धोष्म (3–4 और 1-2) होते हैं।

कार्नोट का प्रमेयसाबित करता है कि इस तरह के इंजन की दक्षता इस्तेमाल किए गए तरल पदार्थ पर निर्भर नहीं करती है, इसलिए इसकी गणना एक आदर्श गैस के लिए थर्मोडायनामिक संबंधों का उपयोग करके की जा सकती है:

ऊष्मा इंजनों के पर्यावरणीय परिणाम

परिवहन और ऊर्जा (थर्मल और परमाणु ऊर्जा संयंत्रों) में ताप इंजनों का गहन उपयोग पृथ्वी के जीवमंडल को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। यद्यपि पृथ्वी की जलवायु पर मानव जीवन के प्रभाव के तंत्र के बारे में वैज्ञानिक विवाद हैं, कई वैज्ञानिक उन कारकों की ओर इशारा करते हैं जिनके कारण ऐसा प्रभाव हो सकता है:

1. ग्रीनहाउस प्रभाव वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड (थर्मल मशीनों के हीटरों में दहन का एक उत्पाद) की सांद्रता में वृद्धि है। कार्बन डाइऑक्साइड सूर्य से दृश्य और पराबैंगनी विकिरण प्रसारित करता है, लेकिन पृथ्वी से अवरक्त विकिरण को अवशोषित करता है। इससे वातावरण की निचली परतों के तापमान में वृद्धि होती है, तूफानी हवाओं में वृद्धि होती है और वैश्विक बर्फ पिघलती है।
2. वन्यजीवों पर जहरीली निकास गैसों का सीधा प्रभाव (कार्सिनोजेन्स, स्मॉग, दहन उप-उत्पादों से अम्लीय वर्षा)।
3. विमान उड़ान और रॉकेट प्रक्षेपण के दौरान ओजोन परत का विनाश। ऊपरी वायुमंडल का ओजोन पृथ्वी पर सभी जीवन को सूर्य से अतिरिक्त पराबैंगनी विकिरण से बचाता है।

उभरते पारिस्थितिक संकट से बाहर निकलने का रास्ता ताप इंजनों की दक्षता बढ़ाने में है (आधुनिक ताप इंजनों की दक्षता शायद ही कभी 30% से अधिक हो); उपयोगी इंजनों का उपयोग और हानिकारक निकास गैसों के न्यूट्रलाइज़र; वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों (सौर बैटरी और हीटर) और परिवहन के वैकल्पिक साधनों (साइकिल, आदि) का उपयोग।

दक्षता कारक (सीओपी)ऊर्जा रूपांतरण या हस्तांतरण के संदर्भ में एक प्रणाली की दक्षता का एक उपाय है, जो कि सिस्टम द्वारा प्राप्त कुल ऊर्जा के लिए उपयोगी रूप से उपयोग की जाने वाली ऊर्जा के अनुपात से निर्धारित होता है।

क्षमता- मान आयाम रहित है, इसे आमतौर पर प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है:

ऊष्मा इंजन के प्रदर्शन का गुणांक (COP) सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है: , जहाँ A = Q1Q2। ऊष्मा इंजन की दक्षता हमेशा 1 से कम होती है।

कार्नोट चक्र- यह एक उत्क्रमणीय वृत्ताकार गैस प्रक्रिया है, जिसमें दो क्रमागत इज़ोटेर्मल और दो रुद्धोष्म प्रक्रियाएं होती हैं जो एक कार्यशील द्रव के साथ की जाती हैं।

वृत्ताकार चक्र, जिसमें दो समतापी और दो रुद्धोष्म शामिल हैं, अधिकतम दक्षता के अनुरूप हैं।

1824 में फ्रांसीसी इंजीनियर साडी कार्नोट ने एक आदर्श ऊष्मा इंजन की अधिकतम दक्षता के लिए एक सूत्र निकाला, जहाँ काम करने वाला द्रव एक आदर्श गैस है, जिसके चक्र में दो समताप मंडल और दो एडियाबैट शामिल हैं, जो कि कार्नोट चक्र है। कार्नोट चक्र एक ऊष्मा इंजन का वास्तविक कार्य चक्र है जो एक इज़ोटेर्मल प्रक्रिया में काम कर रहे तरल पदार्थ को आपूर्ति की गई गर्मी के कारण काम करता है।

कार्नोट चक्र की दक्षता का सूत्र, अर्थात ऊष्मा इंजन की अधिकतम दक्षता है: , जहां T1 हीटर का पूर्ण तापमान है, T2 रेफ्रिजरेटर का पूर्ण तापमान है।

हीट इंजन- ये ऐसी संरचनाएं हैं जिनमें तापीय ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।

हीट इंजन डिजाइन और उद्देश्य दोनों में विविध हैं। इसमें शामिल है भाप इंजन, भाप टर्बाइन, आंतरिक दहन इंजन, जेट इंजन।

हालांकि, विविधता के बावजूद, सिद्धांत रूप में, विभिन्न ताप इंजनों का संचालन है सामान्य सुविधाएं. प्रत्येक ताप इंजन के मुख्य घटक:

• हीटर;
• काम करने वाला शरीर;
• फ्रिज।

हीटर काम कर रहे तरल पदार्थ को गर्म करते हुए थर्मल ऊर्जा जारी करता है, जो इंजन के कार्य कक्ष में स्थित है। काम करने वाला द्रव भाप या गैस हो सकता है।

गर्मी की मात्रा को स्वीकार करने के बाद, गैस फैलती है, क्योंकि। इसका दबाव बाहरी दबाव से अधिक होता है, और पिस्टन को घुमाता है, जिससे सकारात्मक कार्य होता है। उसी समय, इसका दबाव कम हो जाता है, और इसकी मात्रा बढ़ जाती है।

यदि हम उसी अवस्था से गुजरते हुए, लेकिन विपरीत दिशा में गैस को संपीड़ित करते हैं, तो हम वही निरपेक्ष मान करेंगे, लेकिन नकारात्मक कार्य करेंगे। नतीजतन, चक्र के लिए सभी कार्य शून्य के बराबर होंगे।

ऊष्मा इंजन का कार्य शून्य न हो, इसके लिए गैस को संपीड़ित करने का कार्य विस्तार के कार्य से कम होना चाहिए।

संपीड़न के कार्य को विस्तार के कार्य से कम करने के लिए, यह आवश्यक है कि संपीड़न प्रक्रिया कम तापमान पर हो, इसके लिए कार्यशील द्रव को ठंडा किया जाना चाहिए, इसलिए, रेफ्रिजरेटर के डिजाइन में एक रेफ्रिजरेटर शामिल किया गया है। इंजन गर्म करें। काम करने वाला द्रव रेफ्रिजरेटर के संपर्क में आने पर गर्मी की मात्रा को छोड़ देता है।

एक आदर्श मशीन की दक्षता के लिए कार्नोट द्वारा प्राप्त सूत्र (5.12.2) का मुख्य महत्व यह है कि यह किसी भी ताप इंजन की अधिकतम संभव दक्षता निर्धारित करता है।

उष्मागतिकी* के दूसरे नियम के आधार पर कार्नोट ने निम्नलिखित प्रमेय को सिद्ध किया: कोई वास्तविक इंजन गर्म करेंतापमान हीटर के साथ काम करनाटी 1 और फ्रिज का तापमानटी 2 , एक आदर्श ताप इंजन की दक्षता से अधिक दक्षता नहीं हो सकती है।

* कार्नोट ने वास्तव में क्लॉसियस और केल्विन से पहले थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम स्थापित किया था, जब थर्मोडायनामिक्स का पहला कानून अभी तक सख्ती से तैयार नहीं किया गया था।

पहले एक वास्तविक गैस के साथ प्रतिवर्ती चक्र पर चलने वाले ऊष्मा इंजन पर विचार करें। चक्र कोई भी हो सकता है, केवल यह महत्वपूर्ण है कि हीटर और रेफ्रिजरेटर का तापमान हो टी 1 और टी 2 .

आइए मान लें कि एक अन्य ताप इंजन की दक्षता (कार्नोट चक्र के अनुसार काम नहीं कर रही है) ’ > η . मशीनें एक सामान्य हीटर और एक सामान्य कूलर के साथ काम करती हैं। कारनोट मशीन को रिवर्स साइकिल (रेफ्रिजरेशन मशीन की तरह) में काम करने दें, और दूसरी मशीन को आगे के चक्र में (चित्र 5.18)। ऊष्मा इंजन सूत्र (5.12.3) और (5.12.5) के अनुसार समान कार्य करता है:

रेफ्रिजरेशन मशीन को हमेशा इस तरह से डिजाइन किया जा सकता है कि वह रेफ्रिजरेटर से गर्मी की मात्रा ले सके क्यू 2 = ||

फिर सूत्र (5.12.7) के अनुसार उस पर कार्य किया जायेगा

(5.12.12)

चूंकि शर्त के अनुसार η" > , फिर ए"> ए.इसलिए, गर्मी इंजन प्रशीतन इंजन को चला सकता है, और अभी भी काम की अधिकता होगी। यह अतिरिक्त कार्य एक स्रोत से ली गई ऊष्मा की कीमत पर किया जाता है। आखिरकार, एक साथ दो मशीनों की कार्रवाई के तहत गर्मी को रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित नहीं किया जाता है। लेकिन यह ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का खंडन करता है।

यदि हम यह मान लें कि > ", तब आप दूसरी मशीन को उल्टे चक्र में और कार्नोट की मशीन को एक सीधी रेखा में काम कर सकते हैं। हम ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के साथ फिर से विरोधाभास पर आते हैं। इसलिए, प्रतिवर्ती चक्रों पर चलने वाली दो मशीनों की दक्षता समान होती है: " = η .

यह अलग बात है कि दूसरी मशीन अपरिवर्तनीय चक्र में चलती है। अगर हम की अनुमति देते हैं " > η , तब हम फिर से ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के साथ विरोधाभास पर आ जाते हैं। हालांकि, धारणा एम|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" , या

यह मुख्य परिणाम है:

(5.12.13)

वास्तविक ऊष्मा इंजनों की दक्षता

सूत्र (5.12.13) ऊष्मा इंजनों की अधिकतम दक्षता के लिए सैद्धांतिक सीमा देता है। यह दर्शाता है कि ऊष्मा इंजन अधिक कुशल होता है, हीटर का तापमान जितना अधिक होता है और रेफ्रिजरेटर का तापमान उतना ही कम होता है। केवल जब रेफ्रिजरेटर का तापमान परम शून्य के बराबर हो, = 1।

लेकिन रेफ्रिजरेटर का तापमान व्यावहारिक रूप से परिवेश के तापमान से बहुत कम नहीं हो सकता है। आप हीटर का तापमान बढ़ा सकते हैं। हालांकि, किसी भी सामग्री (ठोस) में सीमित गर्मी प्रतिरोध, या गर्मी प्रतिरोध होता है। गर्म होने पर, यह धीरे-धीरे अपने लोचदार गुणों को खो देता है, और पर्याप्त उच्च तापमान पर पिघल जाता है।

अब इंजीनियरों के मुख्य प्रयासों का उद्देश्य उनके पुर्जों के घर्षण को कम करके, इसके अधूरे दहन के कारण ईंधन की हानि आदि को कम करके इंजन की दक्षता में वृद्धि करना है। यहां दक्षता बढ़ाने के वास्तविक अवसर अभी भी बड़े हैं। तो, एक भाप टरबाइन के लिए, प्रारंभिक और अंतिम भाप तापमान लगभग इस प्रकार हैं: टी 1 = 800 के और टी 2 = 300 K. इन तापमानों पर, दक्षता का अधिकतम मूल्य है:

विभिन्न प्रकार की ऊर्जा हानियों के कारण दक्षता का वास्तविक मूल्य लगभग 40% है। अधिकतम दक्षता- लगभग 44% - में आंतरिक दहन इंजन हैं।

किसी भी ऊष्मा इंजन की दक्षता अधिकतम संभव मान से अधिक नहीं हो सकती है
, जहां टी 1 - हीटर का पूर्ण तापमान, और टी 2 - रेफ्रिजरेटर का पूर्ण तापमान।

ताप इंजनों की दक्षता बढ़ाना और इसे अधिकतम संभव के करीब लाना- सबसे महत्वपूर्ण तकनीकी चुनौती।

कई प्रकार की मशीनों के संचालन को इस तरह के एक महत्वपूर्ण संकेतक द्वारा गर्मी इंजन की दक्षता की विशेषता है। हर साल, इंजीनियर अधिक उन्नत उपकरण बनाने का प्रयास करते हैं, जो कम के साथ, इसके उपयोग से अधिकतम परिणाम देंगे।

हीट इंजन डिवाइस

यह क्या है, इसे समझने से पहले यह समझना जरूरी है कि यह तंत्र कैसे काम करता है। इसकी क्रिया के सिद्धांतों को जाने बिना, इस सूचक के सार का पता लगाना असंभव है। ऊष्मा इंजन एक ऐसा उपकरण है जो आंतरिक ऊर्जा का उपयोग करके कार्य करता है। कोई भी ऊष्मा इंजन जो यांत्रिक में बदल जाता है, बढ़ते तापमान के साथ पदार्थों के थर्मल विस्तार का उपयोग करता है। सॉलिड-स्टेट इंजन में, न केवल पदार्थ की मात्रा को बदलना संभव है, बल्कि शरीर के आकार को भी बदलना संभव है। ऐसे इंजन का संचालन ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों के अधीन है।

परिचालन सिद्धांत

यह समझने के लिए कि एक ऊष्मा इंजन कैसे काम करता है, इसके डिजाइन की मूल बातों पर विचार करना आवश्यक है। डिवाइस के संचालन के लिए, दो निकायों की आवश्यकता होती है: गर्म (हीटर) और ठंडा (रेफ्रिजरेटर, कूलर)। ऊष्मा इंजनों के संचालन का सिद्धांत (ऊष्मा इंजनों की दक्षता) उनके प्रकार पर निर्भर करता है। अक्सर, स्टीम कंडेनसर एक रेफ्रिजरेटर के रूप में कार्य करता है, और भट्टी में जलने वाला किसी भी प्रकार का ईंधन हीटर के रूप में कार्य करता है। एक आदर्श ऊष्मा इंजन की दक्षता निम्न सूत्र द्वारा ज्ञात की जाती है:

दक्षता = (थिएटिंग - टीकोल्ड।) / थिएटर। एक्स 100%।

उसी समय, दक्षता असली इंजनइस सूत्र के अनुसार प्राप्त मूल्य से अधिक कभी नहीं हो सकता है। साथ ही, यह सूचक कभी भी उपरोक्त मान से अधिक नहीं होगा। दक्षता बढ़ाने के लिए, अक्सर हीटर का तापमान बढ़ाएं और रेफ्रिजरेटर का तापमान कम करें। इन दोनों प्रक्रियाओं को उपकरण की वास्तविक परिचालन स्थितियों द्वारा सीमित किया जाएगा।

गर्मी इंजन के संचालन के दौरान, काम किया जाता है, क्योंकि गैस ऊर्जा खोना शुरू कर देती है और एक निश्चित तापमान तक ठंडा हो जाती है। उत्तरार्द्ध आमतौर पर आसपास के वातावरण से कुछ डिग्री ऊपर होता है। यह रेफ्रिजरेटर का तापमान है। ऐसा विशेष उपकरणनिकास भाप के बाद के संघनन के साथ ठंडा करने के लिए डिज़ाइन किया गया। जहां कंडेनसर मौजूद होते हैं, रेफ्रिजरेटर का तापमान कभी-कभी परिवेश के तापमान से कम होता है।

एक ऊष्मा इंजन में, शरीर गर्म और विस्तारित होने पर, कार्य करने के लिए अपनी सारी आंतरिक ऊर्जा देने में सक्षम नहीं होता है। कुछ गर्मी या भाप के साथ रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित कर दी जाएगी। थर्मल का यह हिस्सा अनिवार्य रूप से खो जाता है। ईंधन के दहन के दौरान, कार्यशील द्रव को हीटर से एक निश्चित मात्रा में ऊष्मा Q 1 प्राप्त होती है। साथ ही, यह अभी भी ए काम करता है, जिसके दौरान यह थर्मल ऊर्जा का हिस्सा रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित करता है: क्यू 2

दक्षता ऊर्जा रूपांतरण और संचरण के क्षेत्र में इंजन की दक्षता की विशेषता है। इस सूचक को अक्सर प्रतिशत के रूप में मापा जाता है। दक्षता सूत्र:

*A/Qx100%, जहां Q खर्च की गई ऊर्जा है, A उपयोगी कार्य है।

ऊर्जा संरक्षण के नियम के आधार पर, हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि दक्षता हमेशा एकता से कम होगी। दूसरे शब्दों में, उस पर खर्च की गई ऊर्जा से अधिक उपयोगी कार्य कभी नहीं होगा।

इंजन दक्षता हीटर द्वारा आपूर्ति की गई ऊर्जा के लिए उपयोगी कार्य का अनुपात है। इसे निम्न सूत्र के रूप में दर्शाया जा सकता है:

\u003d (क्यू 1-क्यू 2) / क्यू 1, जहां क्यू 1 हीटर से प्राप्त गर्मी है, और क्यू 2 रेफ्रिजरेटर को दिया जाता है।

हीट इंजन ऑपरेशन

ऊष्मा इंजन द्वारा किए गए कार्य की गणना निम्न सूत्र द्वारा की जाती है:

ए = |क्यू एच | - |क्यू एक्स |, जहां ए काम है, क्यू एच हीटर से प्राप्त गर्मी की मात्रा है, क्यू एक्स कूलर को दी गई गर्मी की मात्रा है।

|क्यू एच | - |क्यू एक्स |)/|क्यू एच | = 1 - |क्यू एक्स |/|क्यू एच |

यह इंजन द्वारा किए गए कार्य और प्राप्त ऊष्मा की मात्रा के अनुपात के बराबर है। इस स्थानांतरण के दौरान तापीय ऊर्जा का कुछ भाग नष्ट हो जाता है।

कार्नोट इंजन

एक ऊष्मा इंजन की अधिकतम दक्षता कार्नोट युक्ति के लिए नोट की जाती है। यह इस तथ्य के कारण है कि इस प्रणाली में यह केवल हीटर (Тн) और कूलर (Тх) के पूर्ण तापमान पर निर्भर करता है। ताप इंजन की दक्षता निम्न सूत्र द्वारा निर्धारित की जाती है:

(टीएन - टीएक्स) / टीएन = - टीएक्स - टीएन।

ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों ने अधिकतम दक्षता की गणना करना संभव बना दिया है। पहली बार इस सूचक की गणना फ्रांसीसी वैज्ञानिक और इंजीनियर साडी कार्नोट ने की थी। उन्होंने एक ऊष्मा इंजन का आविष्कार किया जो आदर्श गैस पर चलता था। यह 2 समतापी और 2 रुद्धोष्म के चक्र पर कार्य करता है। इसके संचालन का सिद्धांत काफी सरल है: एक हीटर संपर्क गैस के साथ बर्तन में लाया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप काम करने वाला तरल पदार्थ इज़ोटेर्मली फैलता है। साथ ही, यह कार्य करता है और एक निश्चित मात्रा में गर्मी प्राप्त करता है। पोत को थर्मल रूप से इन्सुलेट करने के बाद। इसके बावजूद, गैस का विस्तार जारी है, लेकिन पहले से ही रुद्धोष्म रूप से (पर्यावरण के साथ ऊष्मा विनिमय के बिना)। इस समय, इसका तापमान रेफ्रिजरेटर तक गिर जाता है। इस समय, गैस रेफ्रिजरेटर के संपर्क में है, जिसके परिणामस्वरूप यह आइसोमेट्रिक संपीड़न के दौरान इसे एक निश्चित मात्रा में गर्मी देता है। फिर पोत फिर से थर्मल रूप से अछूता रहता है। इस मामले में, गैस अपने मूल आयतन और अवस्था में रुद्धोष्म रूप से संकुचित होती है।

किस्मों

आजकल, कई प्रकार के ताप इंजन हैं जो विभिन्न सिद्धांतों और विभिन्न ईंधनों पर काम करते हैं। सबकी अपनी-अपनी दक्षता है। इनमें निम्नलिखित शामिल हैं:

एक आंतरिक दहन इंजन (पिस्टन), जो एक ऐसा तंत्र है जहां जलने वाले ईंधन की रासायनिक ऊर्जा का हिस्सा यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। ऐसे उपकरण गैस और तरल हो सकते हैं। 2-स्ट्रोक और 4-स्ट्रोक इंजन हैं। उनके पास निरंतर कर्तव्य चक्र हो सकता है। ईंधन का मिश्रण तैयार करने की विधि के अनुसार, ऐसे इंजन कार्बोरेटर (बाहरी मिश्रण के निर्माण के साथ) और डीजल (आंतरिक के साथ) होते हैं। ऊर्जा कनवर्टर के प्रकारों के अनुसार, उन्हें पिस्टन, जेट, टर्बाइन, संयुक्त में विभाजित किया गया है। ऐसी मशीनों की दक्षता 0.5 से अधिक नहीं होती है।

स्टर्लिंग इंजन - एक उपकरण जिसमें कार्यशील द्रव एक बंद स्थान में होता है। यह एक प्रकार का बाहरी दहन इंजन है। इसके संचालन का सिद्धांत शरीर की मात्रा में परिवर्तन के कारण ऊर्जा के उत्पादन के साथ समय-समय पर ठंडा/हीटिंग पर आधारित है। यह सबसे कुशल इंजनों में से एक है।

ईंधन के बाहरी दहन के साथ टरबाइन (रोटरी) इंजन। इस तरह के इंस्टॉलेशन अक्सर थर्मल पावर प्लांट में पाए जाते हैं।

टर्बाइन (रोटरी) आंतरिक दहन इंजन का उपयोग थर्मल पावर प्लांट में पीक मोड में किया जाता है। दूसरों की तरह आम नहीं।

एक टर्बोप्रॉप इंजन प्रोपेलर के कारण कुछ थ्रस्ट उत्पन्न करता है। बाकी निकास गैसों से आता है। इसका डिज़ाइन एक रोटरी इंजन है जिसके शाफ्ट पर एक प्रोपेलर लगा होता है।

अन्य प्रकार के ताप इंजन

रॉकेट, टर्बोजेट और जो निकास गैसों की वापसी के कारण जोर प्राप्त करते हैं।

सॉलिड स्टेट इंजन सॉलिड बॉडी को फ्यूल के रूप में इस्तेमाल करते हैं। काम करते समय, इसकी मात्रा नहीं बदलती है, बल्कि इसका आकार होता है। उपकरण के संचालन के दौरान, बहुत कम तापमान अंतर का उपयोग किया जाता है।

आप दक्षता कैसे बढ़ा सकते हैं

क्या ऊष्मा इंजन की दक्षता बढ़ाना संभव है? उष्मागतिकी में उत्तर मांगा जाना चाहिए। यह विभिन्न प्रकार की ऊर्जा के पारस्परिक परिवर्तनों का अध्ययन करता है। यह स्थापित किया गया है कि सभी उपलब्ध यांत्रिक, आदि असंभव है। साथ ही, थर्मल ऊर्जा में उनका रूपांतरण बिना किसी प्रतिबंध के होता है। यह इस तथ्य के कारण संभव है कि तापीय ऊर्जा की प्रकृति कणों की अव्यवस्थित (अराजक) गति पर आधारित है।

जितना अधिक शरीर गर्म होगा, उतनी ही तेजी से इसे बनाने वाले अणु गति करेंगे। कण गति और भी अनिश्चित हो जाएगी। इसके साथ ही सभी जानते हैं कि ऑर्डर को आसानी से अराजकता में बदला जा सकता है, जिसे ऑर्डर करना बहुत मुश्किल है।

वर्तमान पाठ का विषय काफी विशिष्ट में होने वाली प्रक्रियाओं पर विचार होगा, और सार नहीं, जैसा कि पिछले पाठों, उपकरणों - ऊष्मा इंजनों में होता है। हम ऐसी मशीनों को परिभाषित करेंगे, उनके मुख्य घटकों और संचालन के सिद्धांत का वर्णन करेंगे। साथ ही इस पाठ के दौरान, दक्षता खोजने के प्रश्न - थर्मल इंजनों की दक्षता, वास्तविक और अधिकतम संभव दोनों पर विचार किया जाएगा।

विषय: ऊष्मप्रवैगिकी के मूल सिद्धांत
पाठ: ताप इंजन के संचालन का सिद्धांत

अंतिम पाठ का विषय थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम था, जिसने एक निश्चित मात्रा में गर्मी के बीच संबंध स्थापित किया जो गैस के एक हिस्से में स्थानांतरित हो गया और विस्तार के दौरान इस गैस द्वारा किए गए कार्य। और अब यह कहने का समय है कि यह सूत्र न केवल कुछ सैद्धांतिक गणनाओं के लिए, बल्कि काफी व्यावहारिक अनुप्रयोग में भी रुचि का है, क्योंकि गैस का कार्य उपयोगी कार्य से अधिक कुछ नहीं है, जिसे हम ऊष्मा इंजन का उपयोग करते समय निकालते हैं।

परिभाषा। इंजन गर्म करें- एक उपकरण जिसमें ईंधन की आंतरिक ऊर्जा यांत्रिक कार्य में परिवर्तित हो जाती है (चित्र 1)।

चावल। 1. ऊष्मा इंजन के विभिन्न उदाहरण (), ()

जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, ऊष्मा इंजन कोई भी उपकरण हैं जो उपरोक्त सिद्धांत के अनुसार काम करते हैं, और वे डिजाइन में अविश्वसनीय रूप से सरल से लेकर बहुत जटिल तक होते हैं।

अपवाद के बिना, सभी ताप इंजन कार्यात्मक रूप से तीन घटकों में विभाजित होते हैं (चित्र 2 देखें):

• हीटर
• काम करने वाला शरीर
• फ्रिज

चावल। 2. ऊष्मा इंजन का कार्यात्मक आरेख ()

हीटर ईंधन के दहन की प्रक्रिया है, जो दहन के दौरान बड़ी मात्रा में गर्मी को गैस में स्थानांतरित करता है, इसे उच्च तापमान पर गर्म करता है। गर्म गैस, जो एक कार्यशील द्रव है, तापमान में वृद्धि के कारण और फलस्वरूप, दबाव, फैलता है, काम करता है। बेशक, चूंकि इंजन आवरण, परिवेशी वायु, आदि के साथ हमेशा गर्मी हस्तांतरण होता है, काम संख्यात्मक रूप से स्थानांतरित गर्मी के बराबर नहीं होगा - कुछ ऊर्जा रेफ्रिजरेटर में जाती है, जो एक नियम के रूप में, पर्यावरण है।

सबसे आसान तरीका एक चल पिस्टन के नीचे एक साधारण सिलेंडर में होने वाली प्रक्रिया की कल्पना करना है (उदाहरण के लिए, एक आंतरिक दहन इंजन का सिलेंडर)। स्वाभाविक रूप से, इंजन को काम करने और समझने के लिए, प्रक्रिया चक्रीय रूप से होनी चाहिए, न कि एक बार। अर्थात्, प्रत्येक विस्तार के बाद, गैस को अपनी मूल स्थिति में वापस आना चाहिए (चित्र 3)।

चावल। 3. ऊष्मा इंजन के चक्रीय संचालन का एक उदाहरण ()

गैस को अपनी प्रारंभिक स्थिति में लौटने के लिए, उस पर कुछ कार्य करना आवश्यक है (बाहरी बलों का कार्य)। और चूंकि गैस का कार्य विपरीत चिन्ह वाली गैस पर किए गए कार्य के बराबर है, इसलिए गैस को पूरे चक्र के लिए कुल सकारात्मक कार्य करने के लिए (अन्यथा इंजन में कोई बिंदु नहीं होगा), यह आवश्यक है कि बाह्य बलों का कार्य गैस के कार्य से कम हो। यही है, पी-वी निर्देशांक में चक्रीय प्रक्रिया का ग्राफ इस तरह दिखना चाहिए: एक बंद लूप एक दक्षिणावर्त बाईपास के साथ। इस स्थिति में, गैस का कार्य (ग्राफ के उस भाग में जहाँ आयतन बढ़ता है) गैस पर किए गए कार्य से अधिक होता है (उस खंड में जहाँ आयतन घटता है) (चित्र 4)।

चावल। 4. ऊष्मा इंजन में होने वाली प्रक्रिया के ग्राफ का एक उदाहरण

चूंकि हम एक निश्चित तंत्र के बारे में बात कर रहे हैं, इसलिए यह कहना जरूरी है कि इसकी दक्षता क्या है।

परिभाषा। ऊष्मा इंजन की दक्षता (प्रदर्शन का गुणांक)- काम कर रहे तरल पदार्थ द्वारा किए गए उपयोगी कार्य का अनुपात हीटर से शरीर को हस्तांतरित गर्मी की मात्रा में।

यदि हम ऊर्जा के संरक्षण को ध्यान में रखते हैं: हीटर से निकलने वाली ऊर्जा कहीं भी गायब नहीं होती है - इसका एक हिस्सा काम के रूप में हटा दिया जाता है, बाकी रेफ्रिजरेटर में चला जाता है:

हमें मिला:

यह भागों में दक्षता के लिए एक अभिव्यक्ति है, यदि आपको प्रतिशत के रूप में दक्षता मूल्य प्राप्त करने की आवश्यकता है, तो आपको परिणामी संख्या को 100 से गुणा करना होगा। एसआई माप प्रणाली में दक्षता एक आयाम रहित मान है और, जैसा कि से देखा जा सकता है सूत्र, एक (या 100) से अधिक नहीं हो सकता।

यह भी कहा जाना चाहिए कि इस अभिव्यक्ति को वास्तविक ताप इंजन (हीट इंजन) की वास्तविक दक्षता या दक्षता कहा जाता है। यदि हम यह मान लें कि हम किसी तरह इंजन की डिज़ाइन की खामियों से पूरी तरह छुटकारा पा लेते हैं, तो हमें एक आदर्श इंजन मिलेगा, और इसकी दक्षता की गणना एक आदर्श ऊष्मा इंजन की दक्षता के सूत्र के अनुसार की जाएगी। यह सूत्र फ्रांसीसी इंजीनियर साडी कार्नोट (चित्र 5) द्वारा प्राप्त किया गया था: