થર્મલ કાર્યક્ષમતા હીટ એન્જિનની કાર્યક્ષમતા - સૂત્ર

આધુનિક વાસ્તવિકતાઓ થર્મલ એન્જિનના વિશાળ શોષણને ધારે છે. ઇલેક્ટ્રીક મોટર સાથેના સ્થાનાંતર કરવાના અસંખ્ય પ્રયાસો અત્યાર સુધી નિષ્ફળ રહ્યા છે. સ્વાયત્ત પ્રણાલીઓમાં વીજળીના સંચયથી સંકળાયેલી સમસ્યાઓ, મહાન મુશ્કેલીથી ઉકેલી છે.

ઉત્પાદન ઇલેક્ટ્રિક ઊર્જા બેટરીની તકનીકીઓની સમસ્યાઓ હજુ પણ સંબંધિત છે, તેમના લાંબા ગાળાના ઉપયોગને ધ્યાનમાં લેતા. ઇલેક્ટ્રિક વાહનોની સ્પીડ લાક્ષણિકતાઓ આંતરિક કમ્બશન એન્જિન પરની કારથી દૂર છે

હાઇબ્રિડ એન્જિનો બનાવવા માટેના પ્રથમ પગલાંઓ મેગાસીટીઝમાં હાનિકારક ઉત્સર્જનને ઘટાડી શકે છે, પર્યાવરણીય સમસ્યાઓ ઉકેલવા.

ઇતિહાસ એક બીટ

ગતિની ઊર્જામાં વરાળ ઊર્જાને રૂપાંતર કરવાની સંભાવના પ્રાચીન સમયમાં જાણીતી હતી. 130 બીસી: એલેક્ઝાન્ડ્રિયાના ફિલોસોફર હેરોનએ વરાળની ટોય - ઇઓલિપીલ - પ્રેક્ષકોને રજૂ કરી હતી. વરાળથી ભરપૂર ગોળા, તેમાંથી આવતા વિમાનોની ક્રિયા હેઠળ પરિભ્રમણમાં આવી. તે દિવસોમાં આધુનિક વરાળ ટર્બાઇન્સનો પ્રોટોટાઇપ એપ્લિકેશન મળતો નથી.

ફિલસૂફના વિકાસના લાંબા વર્ષો અને સદીઓથી માત્ર એક રમૂજી રમકડું ગણવામાં આવે છે. 1629 માં ઇટાલિયન ડી. બ્રાન્કીએ સક્રિય ટર્બાઇન બનાવ્યું. વરાળ ગતિ માં સેટ બ્લેડ સજ્જ એક ડિસ્ક.

આ ક્ષણે, વરાળ એન્જિનનો ઝડપી વિકાસ શરૂ થયો.

થર્મલ મશીન

મશીનના ભાગો અને મિકેનિઝમ્સના ભાગોની ચળવળના ઊર્જામાં બળતણની આંતરિક ઊર્જાનું રૂપાંતર થર્મલ મશીનમાં વપરાય છે .

મશીનોનો મુખ્ય ભાગ એક હીટર છે (બહારની ઊર્જા મેળવવા માટેની એક પદ્ધતિ), કામ કરતી સંસ્થા (તે ઉપયોગી અસર કરે છે), રેફ્રિજરેટર

આ હીટરને કામના શરીરને ઉપયોગી કાર્ય કરવા માટે આંતરિક ઊર્જાના પૂરતા પુરવઠાને એકઠા કરવા માટે પરવાનગી આપવા માટે રચવામાં આવી છે. રેફ્રિજરેટર વધારાની શક્તિ લે છે.

કાર્યક્ષમતાની મુખ્ય લાક્ષણિકતા થર્મલ મશીનોની કાર્યક્ષમતા છે. આ મૂલ્ય દર્શાવે છે કે હીટિંગ માટે કેટલી ઊર્જાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે તે ઉપયોગી કાર્ય કરવા માટે ખર્ચવામાં આવે છે. કાર્યક્ષમતા ઊંચી છે, મશીનની કામગીરીમાં વધુ સારું છે, પરંતુ આ મૂલ્ય 100% કરતાં વધી શકે છે.

કાર્યક્ષમતાની ગણતરી

હીટરને ક્યૂ ₁ જેટલું જ ઊર્જાની બહાર કાઢવા દો કાર્યકારી સંસ્થાએ એ કામ કર્યું હતું, જ્યારે રેફ્રિજરેટરને આપેલ ઊર્જા ક્યૂ _{2 હતી .}

વ્યાખ્યા અનુસાર, કાર્યક્ષમતાના મૂલ્યની ગણતરી કરો:

Η = A / Q ₁ અમે એ ધ્યાનમાં લઈએ છીએ કે A = Q1 - Q ₂

તેથી, હીટ એન્જિનની કાર્યક્ષમતા, જેની સૂત્રમાં ફોર્મ η = (ક્યૂ ₁ - ક્યૂ ₂ ) / ક્યૂ ₁ = 1 - ક્યૂ ₂ / ક્યૂ _{1 છે, તે} અમને નીચેના તારણો દોરવા માટે પરવાનગી આપે છે:

• કાર્યક્ષમતા 1 (અથવા 100%) કરતાં વધી શકે નહીં;
• આ મૂલ્યને વધારવા માટે, હીટરમાંથી પ્રાપ્ત થયેલ ઊર્જામાં વધારો અથવા રેફ્રિજરેટરને આપવામાં આવતી ઊર્જામાં ઘટાડો જરૂરી છે;
• બળતણ ગુણવત્તામાં ફેરફાર કરવા માટે હીટરની ઊર્જા વધારો;
• રેફ્રિજરેટરને આપવામાં આવતી ઊર્જામાં ઘટાડા, એન્જિન્સની ડિઝાઇનની સુવિધા હાંસલ કરવાની મંજૂરી આપે છે.

આદર્શ ગરમીનું એન્જિન

શું આવા એન્જિન બનાવવું શક્ય છે, જે કાર્યક્ષમતા મહત્તમ હશે (આદર્શ રીતે - 100% બરાબર)? એક ફ્રેન્ચ સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકશાસ્ત્રી અને પ્રતિભાશાળી એન્જિનિયર સાડી કાર્નોટ આ પ્રશ્નનો જવાબ શોધવાનો પ્રયાસ કર્યો. 1824 માં, ગેસમાં થતી પ્રક્રિયાઓના તેમના સૈદ્ધાંતિક હિસાબો જાહેર કરવામાં આવ્યા.

એક આદર્શ મશીનમાં જડવામાં આવેલા મુખ્ય વિચારને આદર્શ ગેસ સાથે ઉલટાવી શકાય તેવી પ્રક્રિયા તરીકે ગણવામાં આવે છે. અમે તાપમાન T1 પર ગેસ વિસ્તરણ isothermally સાથે શરૂ આ માટે જરૂરી ગરમી જથ્થો ક્યૂ છે _1. પછી ગરમીના વિનિમય વિનાના ગેસ વિસ્તરે છે (એડિબેટિક પ્રક્રિયા). તાપમાન T ₂ સુધી પહોંચી ગયા પછી, ગેસ isothermally સંકુચિત છે, રેફ્રિજરેટર ઊર્જા ક્યૂ ₂ પરિવહન. તેના મૂળ રાજ્યમાં ગેસનું વળતર અદ્યતન રીતે કરવામાં આવે છે.

ચોક્કસ ગણતરી માટે આદર્શ કાર્નોટ થર્મલ એન્જિનની કાર્યક્ષમતા હીટર અને ગરમી અને ઠંડક ઉપકરણો વચ્ચેના તાપમાને સમાન છે, જે હીટર પાસે છે. તે આના જેવું દેખાય છે: η = (ટી ₁ - ટી ₂ ) / ટી _1.

થર્મલ મશીનની સંભવિત કાર્યક્ષમતા, સૂત્રનું સ્વરૂપ છે: η = 1 - ટી ₂ / ટી ₁ , માત્ર હીટર અને ઠંડકના તાપમાન પર આધાર રાખે છે અને 100% કરતા વધારે ન હોઈ શકે.

વધુમાં, આ સંબંધ આપણને સાબિત કરે છે કે થર્મલ મશીનોની કાર્યક્ષમતા એકતાના સમાન હોઈ શકે છે જ્યારે રેફ્રિજરેટર નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાન સુધી પહોંચે છે. જેમ તમે જાણો છો, આ મૂલ્ય અકલ્પનીય છે.

કાર્નોટની સૈદ્ધાંતિક ગણતરીઓ આપણને કોઈપણ ડિઝાઇનના થર્મલ મશીનની મહત્તમ કાર્યક્ષમતાને નક્કી કરવા દે છે.

કાર્નોટ દ્વારા સાબિત થયેલ પ્રમેય નીચે પ્રમાણે છે. કોઈ પણ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ એક મનસ્વી થર્મલ મશીન એક આદર્શ ગરમી એન્જિન કરતાં વધુ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા નથી.

સમસ્યાનું નિરાકરણનું ઉદાહરણ

ઉદાહરણ 1. આદર્શ થર્મલ મશીનની કાર્યક્ષમતા શું છે, જો ^{હીટરનું} તાપમાન 800 છે અને રેફ્રિજરેટરનું તાપમાન 500 ની ઓછી છે?

ટી ₁ = 800 થી સી = 1073 કિ, Δ ટી = 500 થી સ = 500 કિ, η -?

ઉકેલ:

વ્યાખ્યા પ્રમાણે: η = (ટી ₁ - ટી ₂ ) / ટી _1.

અમે રેફ્રિજરેટર તાપમાન આપવામાં નથી, પરંતુ ΔT = (ટી ₁ - ટી ₂ ), તેથી:

Η = Δ ટી / ટી ₁ = 500 કે / 1073 કે = 0.46.

જવાબ: કાર્યક્ષમતા = 46%.

ઉદાહરણ 2. એક આદર્શ થર્મલ મશીનની કાર્યક્ષમતા નક્કી કરો જો હીટર ઊર્જાના એક કિલોજોલના ખર્ચે 650 J નું ઉપયોગી કાર્ય કરવામાં આવે તો ગરમી એન્જિનના હીટરનું તાપમાન જો ઠંડા તાપમાન 400 K છે?

ક્યૂ ₁ = 1 કેજે = 1000 જે, એ = 650 જે, ટી ₂ = 400 કે, η -?, ટી ₁ =?

ઉકેલ:

આ સમસ્યામાં આપણે થર્મલ ઇન્સ્ટોલેશન વિશે વાત કરી રહ્યા છીએ, જે કાર્યક્ષમતા સૂત્રમાંથી ગણતરી કરી શકાય છે:

Η = A / Q ₁

હીટરનું તાપમાન નક્કી કરવા માટે, અમે એક આદર્શ થર્મલ મશીનની કાર્યક્ષમતા માટે સૂત્રનો ઉપયોગ કરીએ છીએ:

Η = (ટી ₁ - ટી ₂ ) / ટી ₁ = 1 - ટી ₂ / ટી _1.

ગાણિતિક પરિવર્તન કરવાનું, આપણને મળે છે:

ટી ₁ = ટી ₂ / (1 - η)

ટી ₁ = ટી ₂ / (1-એ / ક્યૂ ₁ )

અમે ગણતરી કરીએ છીએ:

Η = 650 J / 1000 J = 0.65.

ટી ₁ = 400 કે / (1 650 J / 1000 J) = 1142.8 કે.

જવાબ છે: η = 65%, ટી ₁ = 1142.8 કે.

વાસ્તવિક શરતો

આદર્શ ગરમીનું એન્જિન આદર્શ પ્રક્રિયાઓને ધ્યાનમાં રાખીને બનાવવામાં આવ્યું છે. કામ માત્ર ઇસોઓથર્મલ પ્રક્રિયાઓમાં થાય છે, તેના તીવ્રતાને કાર્નોટ ચક્રના ગ્રાફ દ્વારા બંધાયેલ વિસ્તાર તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે.

વાસ્તવમાં, તાપમાનના ફેરફારો સાથે વિના ગેસની સ્થિતિને બદલવાની પ્રક્રિયા માટે શરતો બનાવવી અશક્ય છે. એવી કોઈ સામગ્રી નથી કે જે આસપાસના પદાર્થો સાથે ગરમીનું વિનિમય કરશે. અદ્યતન પ્રક્રિયા અશક્ય છે ગરમીના વિનિમયના કિસ્સામાં, ગેસના તાપમાનમાં જરૂરી ફેરફાર થવો આવશ્યક છે.

વાસ્તવિક પરિસ્થિતિઓમાં થર્મલ મશીનોની કાર્યક્ષમતા આદર્શ એન્જિનની કાર્યક્ષમતા કરતાં નોંધપાત્ર રીતે અલગ છે. અમે નોંધીએ છીએ કે પ્રત્યક્ષ એન્જિનમાં પ્રક્રિયા એટલી ઝડપી છે કે તેના વોલ્યુમ બદલવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન કાર્યરત પદાર્થની આંતરિક થર્મલ ઊર્જાના વિવિધતા હીટરથી ગરમીના પ્રવાહથી અને રેફ્રિજરેટરમાં પાછો ફર્યો નથી.

અન્ય થર્મલ એન્જિન

પ્રત્યક્ષ એન્જિન અન્ય ચક્ર પર કામ કરે છે:

• ઓટ્ટો ચક્ર: એક યથાવત વોલ્યુમની પ્રક્રિયા અદ્યતન રીતે બદલાય છે, બંધ ચક્ર બનાવે છે;
• ડીઝલ ચક્ર: આઇસોબાર, એડિબેટ, આઇસોકોર, એડિબેટ;
• ગેસ ટર્બાઇન: સતત દબાણમાં થતી પ્રક્રિયાને અદ્યતન પ્રક્રિયા દ્વારા બદલવામાં આવે છે, ચક્રને બંધ કરે છે.

આધુનિક તકનીકીની પરિસ્થિતિઓમાં વાસ્તવિક એન્જિનમાં સંતુલન પ્રક્રિયાઓ બનાવવા માટે (આદર્શ વ્યક્તિઓને આશરે લાવવા માટે) શક્ય નથી. થર્મલ મશીનોની કાર્યક્ષમતા ઘણી ઓછી છે, આદર્શ ગરમીના સ્થાપનની જેમ તે જ તાપમાનને ધ્યાનમાં લેતા.

પરંતુ કાર્નોટ ચક્રની કાર્યક્ષમતા માટે ડિઝાઇન સૂત્રની ભૂમિકાને ઘટાડશો નહીં, કારણ કે તે વાસ્તવિક એન્જિન્સની કાર્યક્ષમતામાં વધારો કરવાની પ્રક્રિયામાં સંદર્ભ બિંદુ બની જાય છે.

કાર્યક્ષમતા બદલવાની રીતો

આદર્શ અને વાસ્તવિક થર્મલ એન્જિનની તુલના કરવી, તે નોંધવું યોગ્ય છે કે રેફ્રિજરેટરનું તાપમાન કોઈ પણ હોઈ શકતું નથી. સામાન્ય રીતે રેફ્રિજરેટરને વાતાવરણ ગણવામાં આવે છે. વાતાવરણનું તાપમાન માત્ર અંદાજિત ગણતરીમાં જ સ્વીકારવામાં આવે છે. અનુભવ બતાવે છે કે એન્જિનમાં એક્ઝોસ્ટ ગેસનું તાપમાન ઠંડાનું તાપમાન બરાબર છે, કારણ કે તે આંતરિક કમ્બશન એન્જિન (આઈસીઇમાં સંક્ષિપ્ત) છે.

બરફ અમારા વિશ્વમાં સૌથી સામાન્ય થર્મલ મશીન છે. આ કિસ્સામાં ગરમી એન્જિનની કાર્યક્ષમતા બર્નિંગ ઇંધણ દ્વારા બનાવવામાં આવેલા તાપમાન પર આધારિત છે. આઈસીઇ અને સ્ટીમ એન્જિન વચ્ચે નોંધપાત્ર તફાવત એ હીટરના કાર્યો અને એર-ઈંધણના મિશ્રણમાં ઉપકરણના કાર્યકારી સંસ્થાનું મિશ્રણ છે. બર્નિંગ, મિશ્રણ એન્જિનના ફરતા ભાગો પર દબાણ બનાવે છે.

કાર્યકારી ગેસના તાપમાનમાં વધારો થાય છે, ઇંધણના ગુણધર્મોને નોંધપાત્ર રીતે બદલવામાં આવે છે. કમનસીબે, આ મર્યાદા વિના કરવું અશક્ય છે. કોઈપણ સામગ્રી કે જેમાંથી એન્જિનના કમ્બશન ચેમ્બર બનાવવામાં આવે છે તે ગલનબિંદુ છે. આવા સામગ્રીનો ગરમી પ્રતિકાર એ એન્જિનની મુખ્ય લાક્ષણિકતા છે, તેમજ કાર્યક્ષમતાને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરવાની શક્યતા છે.

એન્જિન કાર્યક્ષમતાના મૂલ્યો

જો આપણે 800 K ની કામકાજની વરાળના ઇનલેટ તાપમાન અને 300 K ની એક્ઝોસ્ટ ગેસ સાથે સ્ટીમ ટર્બાઇનનો વિચાર કરીએ તો આ મશીનની કાર્યક્ષમતા 62% છે. વાસ્તવમાં, આ મૂલ્ય 40% થી વધારે નથી. આવા ઘટાડા થર્મલ નુકસાનને કારણે થાય છે જ્યારે ટર્બાઇન હાઉસિંગ ગરમ થાય છે.

આંતરિક કમ્બશન એન્જિનની કાર્યક્ષમતાનું સર્વોચ્ચ મૂલ્ય 44% કરતાં વધી જતું નથી. આ મૂલ્યમાં વધારો એ નજીકના ભવિષ્યની બાબત છે. સામગ્રીઓના ગુણધર્મો બદલવી, ઇંધણ એ સમસ્યા છે, જેના પર માનવજાતનું શ્રેષ્ઠ મન કામ કરે છે.