Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Транспортна екологія
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Фізико-хімічні процеси на транспорті, що впливають на навколишнє природне середовище

Одним із головних процесів, які забруднюють навколишнє середовище, є процес спалювання палива. Усі транспортні двигуни, що використовують цей процес, є тепловими машинами, які працюють, взаємодіючи з навколишнім середовищем (насамперед із атмосферою). Відбувається процес теплообміну відповідно до законів термодинаміки.

Термодинамічні основи роботи теплових двигунів

Термодинамічний процес – це перехід системи з одного стану в інший унаслідок її взаємодії з навколишнім середовищем. Цей процес є безперервною послідовністю нескінченно близьких один до одного рівноважних станів. їх називають квазістатичними. Рівноважні процеси можуть бути графічно зображені в просторі і на площинах параметрів станів.

Рівноважний процес може проходити як у напрямку зростання, так і зменшення будь-якого з параметрів стану, тобто як у прямому, так і у зворотному напрямках. Тобто рівноважні процеси є зворот ними. При поверненні системи у вихідний стан отримана від навколишнього середовища теплота повертається назад. Відсутність будь-яких залишкових змін у системі та в навколишньому середовищі є характерною рисою зворотних процесів. Процеси, які не мають такої властивості, називаються незворотними. Якщо система здійснила незворотній процес, то її повернення у початковий стан потребує додаткових надходжень енергії з навколишнього середовища, адже робота, яку система виконує в незворотному процесі, не є достатньою для зворотного переходу у початковий стан.

Усі реальні процеси внаслідок тертя, теплообміну за кінцевої різниці температур та обмеженості часу їх протікання є незворотними. Поняття зворотного процесу виникло як ідеальний варіант реальних процесів. Мірою незворотності реальних процесів є ентропія.

Збільшення ентропії системи при протіканні в ній незворотних процесів іноді називають виробництвом ентропії. У міру наближення ізольованої системи до стану рівноваги виробництво ентропії сповільнюватиметься, а при встановленні рівноваги зовсім припиниться.

Під час будь-якого переходу енергії з одного виду в інший частина первинної енергії завжди втрачає якість (цінність), тобто здатність виконувати корисну роботу. Ця частина, як правило, розсіюється у вигляді теплоти. Високоякісна енергія характеризується низькою ентропією і, на відміну від речовини, не може бути відновлена або використана повторно. Уникнути збільшення ентропії (зниження якості енергії) навколишнього середовища в статистичних системах неможливо, але можна намагатися скоротити або звести до мінімуму кількість виробленої ентропії.

На рис. 3.5 графічно зображено прямий та зворотний термодинамічні процеси, що утворюють цикл.

Перетворення теплової енергії на будь-який інший вид енергії у відкритому термодинамічному процесі можливе лише одноразово, тобто до того моменту, поки робоче тіло з нерівноважного стану 1 (рис. 3.5) не перейде в стан рівноваги з навколишнім середовищем 2. Щоб продовжити перетворення, необхідно повернути робоче тіло зі стану 2 в стан 1. тобто замкнути процес 1-А-2, наприклад, по лінії 2-В-1.

Замкнений термодинамічний процес називається циклом. Усі теплові машини працюють за тепловими циклами. Необхідною умовою отримання роботи за допомогою теплових машин є наявність як мінімум двох джерел теплоти: гарячого (верхнього) і холодного (нижнього). Наявність такої умови пов'язана з тим. що теплота, отримана робочим тілом від верхнього джерела, не може бути повністю перетворена на механічну роботу. Частина її повинна бути обов'язково віддана нижньому джерелу теплоти.

Прямий і зворотний термодинамічні процеси (цикл): Т – температура; S – ентропія

Рис. 3.5. Прямий і зворотний термодинамічні процеси (цикл): Т – температура; S – ентропія

Для оцінювання ефективності теплових циклів використовують термічний коефіцієнт корисної дії . Його визначають як відношення кількості отриманої роботи до кількості витраченої роботи:

(3.1)

де – отримана робота:

q2 – втрачена (не використана раціонально) робота.

На рис. 3.6 графічно зображено ідеальний тепловий цикл теплових машин (цикл Карно).

Ідеальний цикл теплових машин (цикл Карно): Т– температура робочого тіла; S – ентальпія робочого тіла; 4-1 – ізотермічне збільшення ентальпії робочого тіла; 1-2 – адіабатичне охолодження робочого тіла; 2-3 – ізотермічне зменшення ентальпії робочого тіла; 3-4 – адіабатичне нагрівання робочого тіла

Рис. 3.6. Ідеальний цикл теплових машин (цикл Карно): Т– температура робочого тіла; S – ентальпія робочого тіла; 4-1 – ізотермічне збільшення ентальпії робочого тіла; 1-2 – адіабатичне охолодження робочого тіла; 2-3 – ізотермічне зменшення ентальпії робочого тіла; 3-4 – адіабатичне нагрівання робочого тіла

Оцінювання досконалості робочого процесу теплових двигунів проводять у прівнянні з циклом Карно. В такому циклі підведення теплоти від джерела до робочого тіла здійснюється без зміни температури по ізотермі 4-1 (Т1 = const). Відведення теплоти від робочого тіла до іншого джерела з незмінною температурою також здійснюється по ізотермі 2-3 (Т2 = const). Оскільки інші джерела теплоти відсутні, переходи з температурного рівня Т, на рівень Т2 і назад можливі лише по адіабатах, тобто за q1 = const і q2 = const.

Термічний ККД циклу Карно дорівнює:

(3.2)

тобто не залежить від властивостей робочого тіла, а повністю визначається температурами джерел і .

У реальних умовах охолодження, нагрівання та зміна ентальпії робочого тіла відбувається по кривій за середньої температури нагрітого робочого тіла Tср та середньої температури охолодженого робочого тіла Т'ср. Тобто ККД реального циклу є значно меншим. Теплота втрачає властивість перетворюватися на роботу при пониженні температури гарячого джерела, тобто втрачає свою працездатність.

На рис. 3.7 показано цикли Карно в координатах температура T– ентальпія S за однакової кількості підведеної теплоти, що реалізуються в різних інтервалах температур. Температура холодного джерела однакова й дорівнює температурі навколишнього середовища, тобто, а температура гарячого джерела різна –

Теплота, що підводиться, у всіх трьох циклах однакова і дорівнює. Теплота, що відводиться, в першому циклі дорівнює

, в другому –і в третьому –

З графіка видно, що за однакової теплоти, що відводяться теплота, що відводиться різна

У першому циклі, дена корисну роботу перетворюється максимальна кількість теплоти, й приріст ентропії при цьому буде мінімальним. Чим суттєвіше збільшення ентропії при підведенні теплоти до робочого тіла, тим меншим є ККД теплового циклу, тобто менша ефективність підведеної теплоти (менша її працездатність). Отже, за зниження температури гарячого джерела працездатність теплоти зменшується. При визначенні термічного ККД циклу за традиційною формулою ця якість теплоти не враховується.

Цикли Карно за однакової кількості підведеної теплоти, що реалізуються в різних інтервалах температур: T – температура; S – ентальпія

Рис. 3.7. Цикли Карно за однакової кількості підведеної теплоти, що реалізуються в різних інтервалах температур: T – температура; S – ентальпія

Ексергія це кількість корисної енергії, отриманої з вихідних енергоресурсів за вирахуванням витраченої на її отримання корисної енергії, тобто:

(3.3)

де– температура навколишнього середовища, в яке віддається частина теплоти після здійснення роботи ().

Через незворотність реальних процесів жодна теплова машина не працює за циклом Карно. Але теоретичні цикли цих машин за досконалістю використання теплоти оцінюються ступенем наближення їх термічного ККД до значення ККД ідеального циклу Карно. Більшість інженерних рішень, що їх використовують для удосконалення теплових двигунів, спрямовані на наближення їх циклу до циклу Карно (регенерація, проміжний підігрів робочого тіла під час підведення теплоти, проміжне його охолоджування під час відведення теплоти тощо). Теоретична кількість теплоти, яка може бути виділена під час спалювання палива, ніколи не використовується за призначенням повністю. Частина її втрачається. У теплових двигунах ці втрати доходять до .

Для аналізу ефективності роботи теплових двигунів використовують його т спловий баланс вигляду:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

де – теплота, підводиться;

– корисно використана теплота;

– втрати теплоти;

– нижча теплота згоряння палива;

– фізична теплота, що вноситься з паливом;

– фізична теплота, що вноситься з окислювачем; – теплота, втрачена з відпрацьованими газами;

– теплота, втрачена (недовиділена) внаслідок хімічної неповноти згорання;

– теплота, втрачена (недовиділена) внаслідок механічної неповноти згоряння;

– теплота, витрачена на нагрівання двигуна від температури навколишнього середовища до робочої температури;

– теплота, що втрачається в навколишнє середовище за рахунок прямої теплопередачі двигуна;

– невраховані втрати теплоти;

– теплота, втрачена з охолоджуючими агентами (антифризом, маслом, стінками циліндрів тощо);

– теплота, еквівалентна роботі, витраченій на привід допоміжних механізмів, на подолання тертя між деталями.

Величини втрат теплової енергії залежать від багатьох факторів. Відповідно, і заходи, що дають змогу досягнути зменшення цих втрат різні:

зменшується при зниженні молярної маси й температури відпрацьованих газів. Зниження втрат можна також досягнути за допомогою регенерації, тобто підігріву відпрацьованими газами пального і окислювача, що подаються у камеру згорання;

зменшується при покращенні змішування палива з окислювачем. Зменшення можна досягнути правильним вибором складу паливо-повітряної суміші й підтриманням температури горіння до 2300

залежить від виду палива;

зменшується із зменшенням розмірів двигуна, теплоємності матеріалів, із яких його виготовлено, його робочої температури, а також зі зниженням випромінюючої здатності його зовнішньої поверхні;

зменшується теж зі зменшенням розмірів двигуна та зменшенням коефіцієнта тепловід дачі через його стінки;

залежить від особливостей робочого процесу;

зменшується з поліпшенням якості змащування деталей, що труться (поршні, циліндри тощо). Величина залежить також від конструкції механізмів, що труться, швидкості руху їх деталей і стану поверхонь тертя.

Тепловий баланс дає кількісну картину розподілу втрат теплоти, проте нічого не свідчить про ексергію.

У термодинамічних системах, якими є теплові двигуни з робочим тілом, що змінюється, термодинамічну ефективність можна оцінити також за ексергетичним балансом, або рівнем ексергетичних втрат:

(3.7)

де– відповідно витрата та ентропія i-го потоку на виході і вході відповідного елементу системи;

– теплові втрати, тобто кількість теплоти, що передається навколишньому середовищу різними способами.

Ексергетичний аналіз теплових втрат доповнює тепловий баланс, даючи змогу краще оцінити якісну картину енергетичних втрат у теплових двигунах під час оцінці їх взаємодії з навколишнім середовищем.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші