Soojusmasinad (3)

SOOJUSMASINAD
Referaat

Sisukord

Sisukord 2
Sissejuhatus 3
Soojusmasinad 3
Aurumasin 5
Sisepõlemismootorid 9
Gaasiturbiin 11
Lisad 12
Soojusmasina kasutegur 12
Soojusmasinad keskkonnasaastajatena 13
Kokkuvõte 14
Kasutatud kirjandus 15

Sissejuhatus

Soojusmasinad on masinad , mille ülesandeks on muuta soojusenergia mehaaniliseks tööks. Tänapäeval võib neid kohata kõikjal meie ümber ning igas eluvaldkonnas: tööstuses, põllumajanduses ja transpordis . Nad teevad inimeste eest ära palju tööd ja nad hoiavad kokku meie aega. Samuti teevad soojusmasinad ära palju rohkem tööd kui ükski inimene seda suudaks. Energiat saadakse põhiliselt kivisöe, nafta ja gaasi põletamisel. Umbes 90% maailma energiatoodangust saadakse sellel teel.
Kütuse siseenergia muutmine mehaaniliseks energiaks on tänapäeval üks masinate põhilisi ülesandeid. Mehaanilist energiat võib aga kasutada mitmetel teistel eesmärkidel, näiteks muudetakse seda elektrienergiaks elektrijaamades, kus kasutatakse kütust näiteks turbiinide ringiajamiseks.
Soojusmasinad on meie ühiskonnas väga tähtsal kohal. Aja möödudes on see tähtsus aga veelgi kasvanud. Tänapäeval on raske ette kujutada elu ilma soojusmasinateta.

Soojusmasinad

18. saj. lõpus, kui arenev tööstus hakkas nõudma suurel hulgal mehaanilist energiat, leiutati paljudes vee- ja tuuleenergiat mitte omavates kohtades auru jõul töötavaid seadmeid. Need nn. atmosfäärimasinad koosnesid tavaliselt silindrist , milles keeva vee aur tõstis üles raske kolvi. Kolvi jõudmisel silindri külgseinas oleva avani väljus aur atmosfääri ning kolb langes alla. Sellised masinad tulid edukalt toime vee pumpamise või raskuste tõstmisega, kuid ei suutnud anda tööstusmasinatele vajalikku stabiilse kiirusega pöörlemist. Probleemi lahendas James Watt 1788. aastal, leiutades tänaseni kasutusel oleva aurumasina . Soojusmasin = seade, mis muudab soojusenergia mehaaniliseks tööks. Masina tööks vajalikku soojust võib saada kütuste põletamisel, päikese- või tuumaenergiast, vulkaanilistes piirkondades kasutatakse ka Maa-sisest (geotermaalset) soojust. Mehaaniline töö tehakse gaaside paisumisel ; et aga masin töötaks pidevalt, tuleb paisunud gaas uuesti algolekusse kokku suruda. Kuidas seda teha nii, et masin töötaks stabiilselt ja ökonoomselt, on tänaseni üks tähtsamaid tehnoloogilisi probleeme. Klassikaline (Newtoni seadustel põhinev) termodünaamika lähtub kolmest aluspostulaadist, mida nimetatakse termodünaamika printsiipideks ja nummerdatakse nagu Newtoni seaduseidki - esimesest kolmandani. Nagu mehaanika liikumisintegraalid, kujutavad ka termodünaamika printsiibid loodusseadustest tulenevaid tehnoloogilisi piiranguid. Nende tundmine kuulub seega inseneri kohustusliku alghariduse juurde. 95% tänapäeva energeetikast põhineb soojusmasinatel.
Soojusmasina definitsioon
Soojusmasinad on seadmed , mis opereerivad soojusega kahe või enama reservuaari vahel, selleks, et teha mehhaanilist tööd.
Soojusmasinaks nimetatakse perioodiliselt tegutsevat mootorit, mis teeb tööd väljastpoolt saadava soojuse arvelt.
Soojusmasinas olev aine (vesi, õhk jne) saab soojust kõrgema temperatuuriga
reservuaarist, teeb kasulikku tööd ning annab tagasi algolekusse minnes soojust välja. Soojusmasinad töötavad tsüklitena, mille lõppedes on soojusmasin esialgses olekus, et alustada uut tsüklit. Lihtsaimat soojusmasina tsüklit illustreerib joonis.
Soojusmasina skeem:
Soojusallikalt saadav energiahulk Q1 jaguneb masinas kasulikuks tööks A ning jahutajale antavaks jääksoojuseks Q2.
Soojushulk Q1 võetakse kuumast reservuaarist temperatuuriga T1 selleks, et teha tema arvel mehhaanilist tööd A . Lisaks tekib jääksoojus Q2, mis antakse üle külmale reservuaarile temperatuuril T2. Rakendame sellele tsüklile termodünaamika esimest seadust. Kuna tsükli alg-ja lõppseis on samad, siis siseenergia ei muutu ja soojuste vahe võrdub tööga:
Q1 – Q2 = A
Et soojusmasin töötaks (toodaks energiat), tuleb gaasi enne paisumist soojendada , enne kokku surumist aga jahutada.

Aurumasin

Juba sajandeid tagasi märkasid inimesed auru väljumist anumast. Nutikamad hakkasid mõtlema selle üle, kuidas seda ära kasutada. 18. saj. lõpus leiutati paljudes vee- ja tuuleenergiat mitte omavates kohtades auru jõul töötavaid seadmeid. Need nn atmosfäärimasinad koosnesid tavaliselt silindrist, milles keeva vee aur tõstis üles raske kolvi. Kolvi jõudmisel silindri külgseinas oleva avani väljus aur atmosfääri ning kolb langes alla. Sellised masinad tulid edukalt toime vee pumpamise või raskuste tõstmisega, kuid ei suutnud anda tööstusmasinatele vajalikku stabiilse kiirusega pöörlemist. 1698 konstrueeris Suurbritannias Thomas Savery kaevanduste tarbeks aurukäitusega, imeva, kolvita veepumba, nn. kaevuri sõbra. 1705 ehitas Thomas Newcomen veepumba käitamiseks ühepoolselt töötava kolviga atmosfääri aurumasina, mida kasutati laiemalt ka kaevandustes. 1765 ehitas Ivan Polzunov metallisulatusahju, lõõtsa käitamiseks kahe kordamööda töötava silindriga atmosfääri aurumasina. Siiski vajati enamat. Probleemi lahendas inglise leidur James Watt, kes valmistas kuulsa aurumasina 1782. aastal. Nimelt tuli James Wattil mõte, et kui anumal, milles keeb vesi, oleks vaid üks toru, millest aur võiks välja pääseda, viskaks aur sealt välja igasuguse sinna paigutatud eseme. Kui see ese aga edasi-tagasi liiguks, võiks tehtud töö arvel liikuma panna mõne teise masina. Watti aurumasina koostises oli kaanega veeanum, mida sai kütta ning kaanega sulgeda. Küttekatlast väljus toru, mida hakati nimetama silindriks. Selles paiknes kolb.
Lisaks neile osadele oli ka veel suur korsten , mille kaudu juhiti välja juba kasutatud aur.
Aurukatlast tulev aur suundub aurukatla silindrisse, kus ta paisudes paneb kolvi liikuma. Tagasikäigul surub kolb heitauru silindrist väliskeskkonda. Kolvi edasi-tagasi liikumise muudab väntmehhanism väntvõlli pöördliikumiseks. Väntvõlli pöörlemist ühtlustab hooratas . Siiberaurujaotusega aurumasinas korraldab auru sisse- ja väljalaset siiber, mis saab kolvi liikumisega seostatud liikumise väntvõllilt; klappidega aurumasinas teevad seda klapid, mida käitab jaotusvõll. Otsevooluaurumasinas laseb auru silindrisse siiber. Aur väljub silindri keskel olevatest avadest .
Aurumasina kasutuselevõtt oli majanduse kiire arengu üks trumpe ( esmalt Suurbritannias, hiljem mujal). Ainsa jõumasinana püsis ta veonduses ja tööstuses kogu 19. sajandi. Aurumasinaid oli võimalik kasutada mitmel otstarbel . Näiteks kasutati auru-rehepeksumasinaid vilja peksmisel. Loomulikult kergendas see suuresti põllutööliste vaeva. Esimene selline rehepeksumasin toodi Eestisse 1867. aastal.
Kütusena kasutati aurumasinates peamiselt tahkeid aineid, sest vedelkütused olid sel ajal suhteliselt tundmatud. Tahket kütust kulus palju ning sõidukitel oli tarvis tihti peatusi teha, et kütet juurde võtta. Kuna ühiskonna vajadused kasvasid ning oli vaja kiiremini läbida pikemaid vahemaid ning teha rohkem tööd, püüti leida energiatootmisviise, mis oleks energiarikkamad teatud koguse kütte kohta. See viiski edasi vedelkütuste, nafta ja bensiini, kasutuselevõtmiseni. Tänapäeval töötab enamus soojusmasinaid nende kütustega, sest neid on lihtsalt parem kasutada. Pole ju enam kusagil näha aurukatlaga ronge, kus katlakütja pidevalt “tule all hoiab”.
Newcomen’i atmosfääri aurumasin
James Watti aurumasin: James Watt (1736-1819):
Üks esimesi jooniseid aurumasinast:
Thomas Savery „Kaevuri sõber“: Polzunovi atmosfääri aurumasin:

Sisepõlemismootorid

19. sajandil, kui võeti kasutusele vedelad kütused nafta ja bensiin , võeti auru abil töötavate masinate asemel kasutusele masinad, milles oli võimalik põletada vedelaid kütuseid. Selliseid mootoreid nimetatakse sisepõlemismootoriteks. Need on mootorid , mis on kõikidel kaasaegsetel autodel, mootorratastel, traktoritel . Kui iidsel aurumasinal olid küttekolle ning sellega ühendatud veeanum väljaspool mootorit, siis sisepõlemismootoril veeanum puudub ning kütust põletatakse mootoris. Selline mootor võtab ka palju vähem ruumi. Kütus siseneb sisepõlemismootori silindrisse portsude kaupa ning üks ports põletatakse kohe väikese plahvatusega ära. Plahvatuse tagajärjel eraldub silindrisse soojusenergiat, mille tulemusel seal olev gaas paisub . Paisunud gaas aga liigutab kolbi ning mootor käivitub. Neis masinates toimuvad soojusenergia ülekanded, mis panevad mootori liikuma. Kuid kunagi ei toimu energia ülekanded ilma kadudeta. Osa kütuste põlemisel eraldunud soojusenergiast läheb kogu süsteemi soojendamiseks.
Sisepõlemismootorites hakati kasutama neljataktilist töötsüklit. Esimest takti nimetati sisseimemistaktiks. Siis sulgub väljalaskeklapp ja avaneb sisseimemistakt. Imetakse sisse õhku natuke madalamal atmosfäärirõhust. Sisselasketakti käigus suureneb ruumala ning rõhk väheneb. Teiseks taktiks võiks nimetada survetakti. Selle käigus liigub kolb üles, ruumala väheneb, rõhk suureneb ning küttesegu (õhuga segunenud kütus) surutakse kokku. Kolmandaks taktiks võiks lugeda töötakti ehk põlemistakti. Suurenenud rõhu toimel tekib plahvatus . Plahvatuse hetkel on kolb ülemises asendis. Plahvatuse käigus tekib kõrge rõhk. Kolb liigub plahvatuse mõjul alla. Seejärel avatakse väljalaskeklapp. Gaasid pääsevad välja, kolb asub silindri alumises punktis. Väljalasketakti käigus liigub kolb üles ning ta surub gaasi atmosfäärirõhul silindrist välja. Selle idee kasutas ära saksa leidur Nikolaus Otto, kes ehitas 1878. aastal esimese gaasil töötava neljataktilise sisepõlemismootori. Otto mootori kasutegur ulatus 22%-ni, ületas selles osas isegi kõiki seni kasutatud mootoritüüpe.
Ottomootorid
Ottomootori tunnuseks on see, et kütuse ja õhu segu, mis on silindris kokku surutud, süüdatakse silindris väljastpoolt sinna juhitud elektrisädemega. Selleks kasutatakse erilist segistit - karburaatorit. Et kütus täielikult põleks, peab 1 kg bensiini kohta tulema vähemalt 15 kg õhku. Seega on sisepõlemismootoris töötavaks kehaks tegelikult õhk, mitte aga bensiiniaur. Erinevalt aurumasinast kulutatakse siin kütust gaasi soojendamiseks, mitte aga vedeliku aurustamiseks. Tõsi küll, õhu soojenemise kõrval muutub siin ka osaliselt õhu koostis: hapniku molekulide asemel tekib süsihappegaasi ja veeauru molekule. Lämmastik, mida on ¾ õhu koostisest, ainult kuumutatakse. Küttesegu silindris süüdatakse küünlast tekkiva sädemega. Surveastmest sõltub kütuse põlemise täielikkus. Surveastmest sõltub ka mootori kasutegur. Kõrgema surveastme korral on küttesegu algtemperatuur survetakti lõpu poole kõrgem. Seetõttu on põlemine täielikum.
Ottomootori töötsükkel
Diiselmootorid
Diiselmootoris valmistatakse küttesegu silindris, mis ongi põhiline erinevus ottomootoritest. See tähendab, et silindris surutakse kokku puhas õhk, millesse pritsitakse kütus ja mis ise süttib kuumas õhus. Seetõttu toimub põlemine kõrgemal temperatuuril ning ka kasutegur on kõrgem. Pealegi kasutab diiselmootor odavamat kütust ning diiselküte ei sisalda mürgiseid pliiühendeid. Diiselmootorid jaotatakse sissepritse mooduse järgi neljaks .
Diiselmootor:

Gaasiturbiin

Üha laialdasemalt hakatakse tänapäeva transpordis kasutama gaasiturbiine. See seade koosneb õhukompressorist, põlemiskambrist ja gaasiturbiinist. Ühele võllile kinnitatud rootor ja liikumatu juhtaparaat on kompressori põhiosad. Turbiin on see, mis paneb rootori pöörlema. Rootorilabade kuju on selline, et nende liikumisel õhk kompressori ees alaneb ja selle taga suureneb. Mitmeastmelise kompressori läbinuna väljub õhk umbes 6 korda suuremal rõhul. Õhu temperatuur tõuseb selle protsessi käigus üle 2000 C . Kokkusurutud õhk läheb põlemiskambrisse, kuhu juhitakse ka kütust- petrooleumi või masuuti. Kütuse põlemisel kuumeneb õhk 20000 C piirimaile. Õhk kuumeneb jääval rõhul. Õhk paisub ja tema liikumiskiirus suureneb. Suure kiirusega liikuv õhk annab ära oma kineetilise energia turbiini rootori. Osa sellest energiast kulub kompressori käitamiseks, teine osa läheb aga vajaliku keha töölepanemiseks (autorattad, lennukipropeller). Seda saab ära kasutada ka reaktiivmootorina. Turbiinist suurel kiirusel väljapaiskuvad gaasid tekitavad reaktiivveojõu, mis paneb peamiselt liikuma lennukid.

Lisad

Soojusmasina kasutegur

Kasutegur näitab, kui palju kogu tööst muudab soojusmasin kasulikuks tööks. Selle käigus võrreldakse kütuse põlemise käigus vabanenud soojust ja kasulikku tööd.
Soojusmasinate kasutegurid
Watti aurumasin
3-4%
Kolbaurumasin 19. saj. lõpul
12%
Mitmesilindrilised aurumasinad
18%
Gaasiturbiin
20-30%
Sisepõlemismootor
25-34%
Kõrgsurve auruturbiin
30-40%
Sisepõlemismootorid, diiselmootorid
35-45%

Soojusmasinad keskkonnasaastajatena

Kuna tänapäeval on gaasi, naftat ja kivisütt tarbivaid soojusmasinaid kasutusel väga palju, siis hakkab see kahjulikult mõjuma ka keskkonnale. Ning neid kahjustavaid faktoreid on mitmeid.
Esimeseks faktoriks on õhuhapniku vähenemine atmosfääris, mis on tingitud nende kütuste põletamisega. Sellest tulenevalt väheneb O2 pidevalt.
Teiseks eraldub kütuse põlemisel süsihappegaasi. See põhjustab kasvuhooneefekti. Selle tõttu peaks Maa keskmine temperatuur tõusma, sest õhu CO2 sisaldus kasvab. 1900. aastal oli õhus 0,029% CO2, tänaseks on see näitaja jõudnud 0,032%. Mõnede teadlaste andmetel suureneb CO2 sisaldus globaalselt igal aastal umbes 0,4% võrra. Nii võib 21. sajandi algusaastail tekkida häireseisund, sest soojenemisel sulaks polaaralade jää ja tõuseks maailmamere tase, mis põhjustaks ülemaailmse veeuputuse .
Kolmandaks saastub atmosfäär söe ja nafta põlemisel inimestele kahjulike lämmastiku- ja väävliühenditega. Eriti suur on saastatud suurlinnade ja tööstuspiirkondades. Lisaks neile on kahjulik bensiini põlemisel eralduvad mürgised pliiühendid. Iga aasta lendub seda ühendit atmosfääri ligi 2-3 tonni.
Nagu selgub , on tänapäevased soojusmasinad suured keskkonnasaastajad, kuna nende tarbitavas kütuses on palju kahjulikke ühendeid, mis põlemisel eralduvad. Kõige parem oleks keskkonnasaastatust vähendada minnes üle diiselmootoritele, sest diiselküte ei sisalda mürgiseid pliiühendeid.

Kokkuvõte

Tuhandeid aastaid tagasi ei olnud Maal ühtegi masinat. Kogu raske töö, põlluharimisest igapäevase toidu muretsemiseni, tuli teha käsitsi. Kuna masinaid, mis inimeste tööd kergendaksid, oli hädasti tarvis, hakkasid nutikamad mõtlema selle üle, kuidas saaks auru ära kasutada mõne teise seadme liikumapanemiseks.
1782. aastal valminud inglise leidur James Watti aurumasinaga sai alguse tööstusrevolutsiooni ajastu ning pandi alus tehastele, kus ühe aastaga toodeti niisama palju kui enne seda käsitöökodades viiekümne aastaga. Tolle aja leiutised muutsid inimeste elu märksa lihtsamaks ning mugavaks. Paljudel inimestel on kodus autod, mis töötavad bensiini- või diiselmootoritega. Ka elektri tootmine on seotud soojusmasinatega.
Soojusmasinad on ka põhilised keskkonnasaastajad. Kütuse põletamisel eraldub palju kahjulikke ühendeid. Kuid siiski kasutavad inimesed soojusmasinaid üha rohkem, sest ilma nendeta tänapäeval võimatu elada.
Minu meelest oli referaadi koostamine väga põnev. Kuna Internetis eriti materjali soojusmasinate kohta ei leidu, tuli appi võtta raamatud. Raamatutest leidsin aga palju huvitavat infot ning sain uusi teadmisi ka teemade kohta, mida referaadis vaja ei olnud. Arvan, et just sellepärast on sellised referaadid väga kasulikud.
Referaati koostades õpime lähemalt tundma teemasid, millel koolitundides pikemalt ei peatuta, seepärast loodan ka tulevikus koostada referaate ja uurimustöid erinevatel teemadel .

Kasutatud kirjandus

O. Kabardin “Koolifüüsika käsiraamat”, „Koolibri“ Tallinn 1993
J. Susi , L. Lubi “Füüsika X klassile II osa: Soojusõpetus”, „Koolibri“ Tallinn 1996
P. Klemm „Aurumasinast elektrimootorini“, „Valgus“ Tallinn 1975
H. Tamm „Mootori algõpe“, „Ilo“ Tallinn 2002
ENE 1 „Valgus“ Tallinn 1985
* Internet :
http://www.miksike.ee/
http://www.fyysika.ee/
http://www.physic.ut.ee/
http://en.wikipedia.org/
http://et.wikipedia.org/
15