Soojusmasinad (0)

Referaat
SOOJUSMASINAD
Sissejuhatus
Soojusmasinad on seadmed , mis opereerivad soojusega kahe või enama reservuaari vahel, selleks, et teha mehhaanilist tööd. Soojusmasinad töötavad tsüklitena, mille lõppedes on soojusmasin esialgses olekus, et alustada uut tsüklit. 
Soojusmasinad 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.
Kuidas soojusmasin töötab:
Soojusmasinas olev aine (vesi, õhk jne) saab soojust kõrgema temperatuuriga reservuaarist, teeb kasulikku tööd ning annab tagasi algolekusse minnes soojust välja. Lühidalt öeldes on 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. 95% tänapäeva energeetikast põhineb soojusmasinatel.
Soojusmasina tööprintsiip
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 kasutegureid viia küllaltki kõrgele. Kui kasutada jahutina välistemperatuuri 300 K 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.

Aurumasin

Üks näide soojusmasinast on aurumasin. Tänapäeval elektrijaamades kasutatavates aurumasinates soojendatakse vedelas olekus vesi mitmesaja atmosfääri suuruse rõhu all, kuni see umbes 500’C juures aurustub. Paisumisel surub veeaur vastu turbiini labasid, tehes tööd ning väljub siis palju madalamal temperatuuril. Seejärel jahutatakse veeauru veelgi (võetakse soojust ära), millega viiakse ta tagasi algolekusse. Kondenseerunud vesi pumbatakse tagasi boilerisse ning tsükkel algab jälle otsast peale.
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.
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 olid küttekolle ning sellega ühendatud veeanum väljaspool mootorit, siis sisepõlemismootoril veeanum puudub ning kütust põletatakse mootoris. Selline mootor 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 mootor käivitub. Neis masinates toimuvad soojusenergia ülekanded, mis panevad mootori liikuma.
Külmutusmasin ja soojuspump
Kujutame ette soojusmasinat, mis töötab seniste näidetega võrreldes pööratud tsükliga, st. kokkusurumine toimub kõrgemal, paisumine aga madalamal rõhul (temperatuuril).
Valemeist järeldub, et kasulik töö , seega tuleb sellise masina käigus hoidmiseks kulutada mehaanilist energiat. Teine iseärasus on see, et kuna protsessid kulgevad vastassuunas, siis tuleb seal, kus varem energiat juurde anti (soojendati gaasi), seda nüüd ära võtta; seal aga, kus varem energiat ära viidi (jahutati gaasi), nüüd soojendada . Et - diagrammil madalamad kõverad tähendavad ka madalamat temperatuuri, siis pööratud tsükli korral võetakse soojust külmemalt keskkonnalt ning antakse üle soojemale.
Selline mehhanism kannab külmutusmasina nimetust , kuna ta võimaldab alandada mingi piirkonna ( ruumiosa ) temperatuuri. Tuntuimaks sedalaadi seadmeks on külmutuskapp, kus sisetemperatuur viiakse välistemperatuurist madalamaks, pumbates soojust kapi jahutusradiaatorist (madalrõhukamber) väljaspool kappi olevasse kõrgrõhukambrisse, kus teda enne uut paisumist jahutatakse.

Termodünaamika Printsiibid

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.

Termodünaamika I printsiip

Kujutab endast energia jäävuse seaduse kirjapanekut: Gaasile antav soojushulk on võrdne siseenergia juurdekasvu ning paisumisel tehtava töö summaga .

Termodünaamika II printsiip

Kasulik töö tekib ringprotsessil siis, kui kokkusurumine toimub madalamal rõhul, kui paisumine. Et väiksem rõhk antud ruumala juures tähendab madalamat temperatuuri, tuleb töötavat gaasi enne kokkusurumist jahutada, pärast kokkusurumist aga soojendada. Pole võimalik ehitada masinat, mis muudaks temale antud soojuse täielikult tööks.

Termodünaamika III printsiip

Absoluutne nullpunkt vastab keha väikseimale siseenergiale ja on termodünaamilise temperatuuriskaala alguspunkt. Absoluutne nullpunkt on põhimõtteliselt saavutamatu, ehkki talle saab jõuda kui tahes lähedale.

Kokkuvõte

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.