Soojusmasinad (0)

Kehra Gümnaasium
Soojusmasinad
Referaat
Koostas: Anni Karu
Juhendas: August Kalamees
Sisukord
Sissejuhatus………………………………………………………………………………..3
Aurumasin …………………………………………………………………………………4
Sisepõlemismootor………………………………………………………………………...5
Gaasiturbiin ………………………………………………………………………………..6
Soojusmasina kasutegur…………………………………………………………………………………..7
Soojusmasina kasutegurid ………………………………………………………………………………...7
Soojusmasinad kui keskkonnasaastajad………………………………………………………………………..8
Kokkuvõtteks……………………………………………………………………………...9
Lisad……………………………………………………………………………………...10
Kasutatud kirjandus………………………………………………………………………………….11
2
Sissejuhatus
Soojusmasinad on masinad , mille ülesandeks on muuta soojusenergia mehaaniliseks tööks. Tänapäeval võib neid kohata kõikjal meie umber 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 tähtsal kohal meie ühiskonnas. Aja möödudes on see tähtsus kasvanud. Tänapäeval oleks raske ette kujutada elu ilma soojusmasinateta, mis aitavad inimesel luua ühiskonda.
3
Aurumasin
Juba sajandeid tagasi märkasid inimesed auru väljumist anumast. Nutikamad hakkasid mõtlema selle üle, kuidas seda ära kasutada. 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 niinimetatud 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. aastal konstrueeris Suurbritannias T. Savery kaevanduste tarbeks aurukäitusega, imeva, kolvita veepumba, nn. kaevuri sõbra. 1705 ehitas T. Newcomen veepumba käitamiseks ühepoolselt töötava kolviga atmosfääri aurumasina , mida kasutati laiemalt ka kaevandustes. 1765 ehitas I. Polzunov metallisulatusahju, lõõtsa käitamiseks kahe kordamööda töötava silindriga atmosfääriaurumasina. Siiski vajati midagi enamat . Probleemi lahendas inglise leidur J.Watt, kes valmistas kuulsa aurumasina 1782. aastal. Tema mõte seisnes selles, et anumal, kus keeks vesi, oleks vaid üks väljapääs aurule. Rõhu suurenemise tagajärjel paneks aur liikuma mingi keha edasi-tagasi. Siis saaks selle keha panna tegema tööd mingil kindlal eesmärgil.
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.(vt lisa1 )
Aurukatlast tulev aur suundub aurukatla silindrisse, kus ta paisudes paneb kolvi liikuma. Tagasikäigul surub kolb heitaru silindrist väliskeskkonda. Kolvi edasi-tagasi liikumise muudab väntmehhanism väntvõlli pöördliikumiseks. Väntvõlli pöörlemist ühtlustab hooratas . Siiberaurujaotusega aurumasinas korraldab aur 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. Kütusena kasutati aurumasinates peamiselt tahkeid aineid, sest
4
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 vedelkütuse, 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”.
Sisepõlemismootor
Hiljem hakati kasutama vedelkütusega mootoreid, mida võib ka nimetada soojusmasinateks. Selliseid mootoreid nimetatakse ka sisepõlemismootoriteks. Need on mootorid , mis on kõikidel kaasaegsetel autodel, mootorratastel, traktoritel . Kui iidsel aurumasinal oli küttekolle ning sellega ühendatud veeanum väljaspool mootorit, siis sisepõlemismootoril veeanum puudub ning kütust põletatakse mootoris. Selline motor võtab 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 motor käivitub. Neis masinates toimuvad soojusenergia ülekanded, mis panevad mootori liikuma. Kuid kunagi ei toimu energia ülekanded ilma kaduteta. Osa kütuste põlemisel eraldunud soojusenergiast läheb kogu süsteemi soojendamiseks. Kui istud autosse külma talveilmaga, on auto peaaegu sama külm kui väljaski. Kui aga auto motor on veidi aega töödanud, soojeneb auto nii väljast kui ka seest. Aknal, auto katusel ja esiosal olev jää sulab ning soojemaks muutub ka salong .
Sisepõlemismootorites hakati kasutama neljataktilist töötsüklit. Esimest takti nimetati sisseimemistaktikaks. 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 tööakti 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
5
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. (Vt. Lisa 2.) Naftatööstuse areng XIX sajandi lõpul tõi endaga kaasa uute kütusteliikide- bensiini ja petrooleumi kasutuselevõtu. Et kütus bensiinimootoris täielikult põleks. Segatakse see enne silindrisse juhtimist õhuga. Selleks kasutatakse erilist segistit – karburaatorit. Õhu ja bensiini segu nimetatakse kütteseguks.
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.
Karburaatormootorites ei ole võimalik tõsta surveastet üle 8-9. Seda takistab küttesegu isesüttimine enne kolvi jõudmist. Isesüttimine on mootorile kahjulik ning vähendab selle kasutegurit ja võimsust. Kõrge surveastme saavutamiseks on suurendatud kolvi liikumiskiirust (5000-6000 p/min) ning hakati kasutama vastavaid bensiinilisandeid. Karburaatormootoreid kasutatakse enamasti autotranspordis, tänapäeval on ta igapäevaelus väga vajalik.
Gaasiturbiin
Üha laialdasemalt hakatakse tänapäeva transpordis kasutama gaasiturbiine. See seade koosneb õhukompressorist, põlemiskarbist 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 käigis üle 200° C. Kokkusurutud õhk läheb põlemiskambrisse, kuhu juhitakse ka kütust- petrooleumi või masuuti. Kütuse põlemisel kuumeneb õhk 2000°C piirimaile. Õhk kuumeneb jääval rõhul. Õhk paisub ja tema liikumiskiirus suureneb. Suure kiirusega liikuv õhk annab ära
6
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 reaktiivimootorina. Turbiinist suurel kiirusel väljapaiskuvad gaasid tekitavad reaktiivveojõu, mis paneb peamiselt liikuma lennukid.
Soojusmasina kasutegur
Kasutegur näitab, kui palju kogu tööst muudab soojusmasin kasulikuks tööks. Selle käigus võrreldakse kütuse põlemise käigus vabanenud soojust ja kasulikku tööd. „Kahjulik“ soojus on see, mis tuleb anda masinale mehaanilise töö saamiseks. Kasuteguri arvutamiseks on valem:
h=Q1-Q2/Q1*100%
kus Q1 on tsüklis soojendilt saadud soojushulk ja Q2 on jahutile antud soojushulk. Selge on see, et kasutegur on väiksem kui 100%. Reaalsete soojusmasinate kasutegurid jäävad tugevasti alla 100%. Ideaalse soojusmasina tsükli järgi saaks kasutegurid viia küllaltki kõrgele. Kui kasutada jahutina välistemperatuuri 300K ja soojendina gaasi plahvatust silindris rõhul mõnikümmend atmosfääri, temperatuur on 3000 K, ei saa kasutegurit viia üle 90%. Maksimaalseks kasuteguriks loetakse ka 62%. Reaalses elus seisavad sellele masinale vastu kõiksugu jõud: hõõrdejõud, soojuskaod jne.
Soojusmasina 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%
7
Soojusmasinad kui keskkonnasaastajad
Kuna aeg areneb edasi ning inimestel on vaja rahuldada üha enam vajadusi. Sellele mõjuvad soodustavalt energeetika pidev areng, gaasi, nafta ja kivisöe tarbimise kasv. Kuna tänapäeval on neid kütuseid tarbivaid soojusmasinaid kasutusel väga palju, siis hakkab see kahjulikult mõjuma ka keskkonnale. Meie planeedi looduse kaitsmine on suhteliselt raske. Ning neid kahjustavaid faktoreid on mitmeid.
Esiteks võiks ära märkida õhuhapniku vähenemise atmosfääris, mis on tingitud nende kütuste põletamisega. Sellest tulenevalt väheneb O2 pidevalt. Praegu on seda ligi 21% mahu järgi. 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%.
Õhus sisalduv CO2 täidab teatud filtri ja ekraani ülesannet. Päikese lühilaineline valguskiirgus läbib teda, kuid Maal tekkinud pikalaineline soojuskiirgus neeldub temas ja ei pääse kosmosesse tagasi. Kasvuhooneefekti tõttu peaks Maa keskmine temperatuur tõusma, sest süsinikdioksiidi molekulid neelavad infrapunakiirgust.
Mõnede teadlaste andmetel suureneb CO2 sisaldus globaalselt igal aastal umbes 0,4% võrra. Nii võib 21. Sajandi algusaastail tekkida häireseisnud, sest soojenemisel sulaks polaaralade jää ka tõuseks maailmamerede tase, mis põhjustaks ülemaailmse veeuputuse . Hinnangud on väga erinevad: vene akadeemik F. Daviteja eeldab veetõusu 70m võrra, Moskva ülikooli teadlased prognoosisid 1990. aastal, et aastaks 2030 tõuseb õhutemperatuur 0,6 kuni 1,5 kraadi võrra ja veetase kerkib vaid 35 cm; ülemaailmsel klimatoloogide konverentsil eeldati, et temperatuuri tõus on 1,5 kuni 3 kraadi ja maailmamere veetase tõuseb 4 kuni 8 m võrra.
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. Pliid lisatakse bensiinile plahvatusliku põlemise vältimiseks.
Nagu selgub , on tänapäevased soojusmasinad suured keskkonnasaastajad, kuna nende tarbitavas kütuses on palju kahjulikke ühendeid, mis põletamisel eralduvad. Kõige parem oleks keskkonnasaastatust vähendada minnes üle diiselmootorile, sest diiselküte ei sisalda mürgiseid pliiühendeid. 8
Kokkuvõtteks
Soojusmasinatel on tänapäeva ühiskonnas küllaltki tähtis koht. Paljudel inimestel on kodus autod, mis töötavad bensiini- või diiselmootoritega. Transpordi-vahenditel on mootorid, mis peaksid võtma võimalikult vähe kütet. 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 on elu raske ette kujutada. Nad teevad inimeste eest ära märkimisväärselt palju tööd.
9
Lisad
Lisa1:
Lisa2:
10
Kasutatud kirjandus

• O. Kabardin „Koolifüüsika käsiraamat“ , Tallinn Koolibri, 1993.
  
• J. Susi , L. Lubi „Füüsika X klassile II osa: soojusõpetus
  

Tallinn, Koolibri, 1996.

• ENE 1 ..
  
• http://www.miksike.ee
  

11