ბევრი ტიპის მანქანების მუშაობა ხასიათდება ისეთი მნიშვნელოვანი ინდიკატორით, როგორიცაა სითბოს ძრავის ეფექტურობა. ყოველწლიურად, ინჟინრები ცდილობენ შექმნან უფრო მოწინავე აღჭურვილობა, რომელიც საწვავის დაბალ ხარჯებთან ერთად მაქსიმალურ შედეგს გამოიყენებს.
სითბოძრავის მოწყობილობა
სანამ გაიგებთ რა არის ეფექტურობა, აუცილებელია იმის გაგება, თუ როგორ მუშაობს ეს მექანიზმი. მისი მოქმედების პრინციპების ცოდნის გარეშე, შეუძლებელია ამ ინდიკატორის არსის გარკვევა. სითბოს ძრავა არის მოწყობილობა, რომელიც მუშაობს შიდა ენერგიის გამოყენებით. ნებისმიერი სითბური ძრავა, რომელიც გარდაქმნის თერმული ენერგიას მექანიკურ ენერგიად, იყენებს ნივთიერებების თერმულ გაფართოებას ტემპერატურის მატებასთან ერთად. მყარი მდგომარეობის ძრავებში შესაძლებელია არა მხოლოდ მატერიის მოცულობის შეცვლა, არამედ სხეულის ფორმის შეცვლაც. ასეთი ძრავის მუშაობა ექვემდებარება თერმოდინამიკის კანონებს.
ოპერაციული პრინციპი
იმისათვის, რომ გავიგოთ როგორ მუშაობს თბოძრავი, აუცილებელია გავითვალისწინოთ საფუძვლებიმისი დიზაინები. მოწყობილობის მუშაობისთვის საჭიროა ორი კორპუსი: ცხელი (გამათბობელი) და ცივი (მაცივარი, ქულერი). სითბოს ძრავების მუშაობის პრინციპი (სითბო ძრავების ეფექტურობა) დამოკიდებულია მათ ტიპზე. ხშირად, ორთქლის კონდენსატორი მოქმედებს როგორც მაცივარი, ხოლო ნებისმიერი ტიპის საწვავი, რომელიც იწვის ღუმელში, მოქმედებს როგორც გამათბობელი. იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობა გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:
ეფექტურობა=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
ამავდროულად, რეალური ძრავის ეფექტურობა ვერასოდეს აღემატება ამ ფორმულის მიხედვით მიღებულ მნიშვნელობას. ასევე, ეს მაჩვენებელი არასოდეს გადააჭარბებს ზემოთ მოცემულ მნიშვნელობას. ეფექტურობის გასაზრდელად, ყველაზე ხშირად გაზარდეთ გამათბობლის ტემპერატურა და შეამცირეთ მაცივრის ტემპერატურა. ორივე ეს პროცესი შემოიფარგლება აღჭურვილობის რეალური საოპერაციო პირობებით.
თბური ძრავის ეფექტურობა (ფორმულა)
სთბური ძრავის მუშაობისას სამუშაოები კეთდება, რადგან გაზი იწყებს ენერგიის დაკარგვას და კლებულობს გარკვეულ ტემპერატურამდე. ეს უკანასკნელი ჩვეულებრივ რამდენიმე გრადუსით მაღლა დგას მიმდებარე ატმოსფეროდან. ეს არის მაცივრის ტემპერატურა. ასეთი სპეციალური მოწყობილობა განკუთვნილია გასაციებლად გამონაბოლქვი ორთქლის შემდგომი კონდენსაციისთვის. სადაც არის კონდენსატორები, მაცივრის ტემპერატურა ზოგჯერ უფრო დაბალია ვიდრე გარემოს ტემპერატურა.
სითბოს ძრავაში, სხეული, როდესაც თბება და გაფართოებულია, არ შეუძლია მთელი თავისი შინაგანი ენერგია მისცეს სამუშაოს. სითბოს ნაწილი გამონაბოლქვი აირებთან ან ორთქლთან ერთად გადაეცემა მაცივარს. Ეს ნაწილითერმული შინაგანი ენერგია აუცილებლად იკარგება. საწვავის წვის დროს სამუშაო სხეული გამათბობელიდან იღებს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას Q1. ამავდროულად, ის კვლავ ასრულებს მუშაობას A, რომლის დროსაც იგი გადასცემს თერმული ენერგიის ნაწილს მაცივარში: Q2<Q1..
ეფექტურობა ახასიათებს ძრავის ეფექტურობას ენერგიის გარდაქმნისა და გადაცემის სფეროში. ეს მაჩვენებელი ხშირად იზომება პროცენტულად. ეფექტურობის ფორმულა:
ηA/Qx100%, სადაც Q არის დახარჯული ენერგია, A არის სასარგებლო სამუშაო.
ენერგიის შენარჩუნების კანონის საფუძველზე შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ ეფექტურობა ყოველთვის იქნება ერთზე ნაკლები. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, არასოდეს იქნება იმაზე სასარგებლო სამუშაო, ვიდრე მასზე დახარჯული ენერგია.
ძრავის ეფექტურობა არის სასარგებლო სამუშაოს თანაფარდობა გამათბობლის მიერ მიწოდებულ ენერგიასთან. ის შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგი ფორმულით:
η=(Q1-Q2)/ Q1, სადაც Q 1 - სითბო მიღებული გამათბობელიდან და Q2 - მიცემულია მაცივარში.
სათბობი ძრავის მუშაობა
სითბური ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაო გამოითვლება შემდეგი ფორმულით:
A=|QH| - |QX|, სადაც A არის სამუშაო, QH არის გამათბობელიდან მიღებული სითბოს რაოდენობა, QX - სითბოს რაოდენობა, რომელიც მიეცემა გამაგრილებელს.
თბური ძრავის ეფექტურობა (ფორმულა):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
ეს უდრის ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაოს თანაფარდობასსითბო. თერმული ენერგიის ნაწილი იკარგება ამ გადაცემის დროს.
კარნოს ძრავა
სითბური ძრავის მაქსიმალური ეფექტურობა აღინიშნება კარნოს მოწყობილობაზე. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ამ სისტემაში ეს დამოკიდებულია მხოლოდ გამათბობლის (Тн) და ქულერის (Тх) აბსოლუტურ ტემპერატურაზე. კარნოს ციკლის მიხედვით მომუშავე სითბოს ძრავის ეფექტურობა განისაზღვრება შემდეგი ფორმულით:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
თერმოდინამიკის კანონებმა მოგვცა საშუალება გამოვთვალოთ მაქსიმალური ეფექტურობა, რაც შესაძლებელია. პირველად ეს მაჩვენებელი გამოითვალა ფრანგმა მეცნიერმა და ინჟინერმა სადი კარნომ. მან გამოიგონა სითბოს ძრავა, რომელიც მუშაობდა იდეალურ გაზზე. ის მუშაობს 2 იზოთერმისა და 2 ადიაბატის ციკლზე. მისი მოქმედების პრინციპი საკმაოდ მარტივია: გამაცხელებელი კონტაქტი ჭურჭელთან მიდის გაზთან, რის შედეგადაც სამუშაო სითხე იზოთერმულად ფართოვდება. ამავე დროს, ის ფუნქციონირებს და იღებს გარკვეული რაოდენობის სითბოს. ჭურჭლის თერმული იზოლაციის შემდეგ. ამის მიუხედავად, გაზი აგრძელებს გაფართოებას, მაგრამ უკვე ადიაბატურად (გარემოს სითბოს გაცვლის გარეშე). ამ დროს მისი ტემპერატურა მაცივარამდე ეცემა. ამ მომენტში გაზი შეხებაშია მაცივართან, რის შედეგადაც იზომეტრიული შეკუმშვისას მას გარკვეული რაოდენობის სითბოს აძლევს. შემდეგ ჭურჭელი კვლავ თერმულად იზოლირებულია. ამ შემთხვევაში, გაზი ადიაბატურად შეკუმშულია თავდაპირველ მოცულობამდე და მდგომარეობამდე.
ჯიშები
ჩვენს დროში არსებობს მრავალი სახის თერმოძრავა, რომელიც მუშაობს სხვადასხვა პრინციპით და სხვადასხვა საწვავზე. ყველა მათგანს აქვს საკუთარი ეფექტურობა. Ესენი მოიცავსშემდეგი:
• შიდა წვის ძრავა (დგუში), რომელიც არის მექანიზმი, სადაც წვის საწვავის ქიმიური ენერგიის ნაწილი გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად. ასეთი მოწყობილობები შეიძლება იყოს გაზი და თხევადი. არის 2 ტაქტიანი და 4 ტაქტიანი ძრავები. მათ შეიძლება ჰქონდეთ უწყვეტი სამუშაო ციკლი. საწვავის ნარევის მომზადების მეთოდის მიხედვით, ასეთი ძრავებია კარბუტერი (გარე ნარევის ფორმირებით) და დიზელი (შინაგანი). ენერგიის გადამყვანის ტიპების მიხედვით, ისინი იყოფა დგუში, ჭავლი, ტურბინა, კომბინირებული. ასეთი მანქანების ეფექტურობა არ აღემატება 0,5-ს.
• სტერლინგის ძრავა - მოწყობილობა, რომელშიც სამუშაო სითხე დახურულ სივრცეშია. ეს არის ერთგვარი გარე წვის ძრავა. მისი მოქმედების პრინციპი ეფუძნება სხეულის პერიოდულ გაგრილებას/გათბობას მისი მოცულობის ცვლილების გამო ენერგიის გამომუშავებით. ეს არის ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური ძრავა.
• ტურბინული (მბრუნავი) ძრავა საწვავის გარე წვით. ასეთი დანადგარები ყველაზე ხშირად გვხვდება თბოელექტროსადგურებში.
• ტურბინის (მბრუნავი) ICE გამოიყენება თბოელექტროსადგურებში პიკის რეჟიმში. არც ისე გავრცელებული, როგორც სხვები.
• ტურბოპროპის ძრავა წარმოქმნის ბიძგს პროპელერის გამო. დანარჩენი მოდის გამონაბოლქვი აირებიდან. მისი დიზაინი არის მბრუნავი ძრავა (გაზის ტურბინა), რომლის ლილვზე დამონტაჟებულია პროპელერი.
სხვა ტიპის სითბოს ძრავები
• სარაკეტო, ტურბორეაქტიული და რეაქტიული ძრავები, რომლებიც იღებენ ბიძგს უკუცემის შედეგადგამონაბოლქვი აირები.
• მყარი მდგომარეობის ძრავები იყენებენ მყარ ნივთიერებებს საწვავად. მუშაობისას იცვლება არა მისი მოცულობა, არამედ მისი ფორმა. აღჭურვილობის მუშაობა იყენებს უკიდურესად დაბალ ტემპერატურულ განსხვავებას.
როგორ გავაუმჯობესოთ ეფექტურობა
შესაძლებელია თუ არა სითბოს ძრავის ეფექტურობის გაზრდა? პასუხი თერმოდინამიკაში უნდა ვეძებოთ. იგი სწავლობს სხვადასხვა სახის ენერგიის ურთიერთგარდაქმნებს. დადგენილია, რომ შეუძლებელია მთელი არსებული თერმული ენერგიის გარდაქმნა ელექტროდ, მექანიკურად და ა.შ. ამავდროულად, მათი გარდაქმნა თბოენერგიად ხდება ყოველგვარი შეზღუდვის გარეშე. ეს შესაძლებელია იმის გამო, რომ თერმული ენერგიის ბუნება დაფუძნებულია ნაწილაკების მოუწესრიგებელ (ქაოტურ) მოძრაობაზე.
რაც უფრო მეტად ცხელდება სხეული, მით უფრო სწრაფად მოძრაობს მისი შემადგენელი მოლეკულები. ნაწილაკების მოძრაობა კიდევ უფრო არასტაბილური გახდება. ამასთან, ყველამ იცის, რომ წესრიგი ადვილად შეიძლება გადაიზარდოს ქაოსში, რომლის შეკვეთაც ძალიან რთულია.
