Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Физика что такое тепловой двигатель внутреннего сгорания

Физика что такое тепловой двигатель внутреннего сгорания

§ 31. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

Устройства, преобразующие часть внутренней энергии тел в механическую энергию, называют тепловыми двигателями.

Считается, что первым тепловым двигателем была игрушка, изобретённая около 2000 лет тому назад древнегреческим учёным Героном Александрийским, состоявшая из полой сферы с двумя загнутыми трубками, из которых вырывался разогретый пар, в результате чего сфера вращалась (рис. 31а). Пар подавался через специальные трубки в сферу из находящегося под ней сосуда, где кипела вода. Работу по вращению сферы производил пар, расширяясь и остывая.

Атмосфера — самый крупный тепловой двигатель на Земле. Солнце неодинаково нагревает различные участки поверхности Земли, и поэтому температура воздуха у земли тоже разная, в результате чего в атмосфере образуются зоны высокого и низкого давления, между которыми дуют ветра. Таким образом, ветер возникает из-за того, что часть количества теплоты, которую остывающая земля отдаёт воздуху, преобразуется в механическую энергию его движения.

Самыми распространёнными тепловыми двигателями являются бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работа которых представляет собой повторяющийся процесс (цикл), состоящий из четырёх более коротких процессов, или тактов (рис. 31б). Во время одного из тактов (№3) горючая смесь паров бензина и воздуха, сжатая в цилиндре, воспламеняется электрической искрой, в результате чего температура и давление газовой смеси над поршнем возрастают, поршень начинает двигаться вниз, а газ, расширяясь, совершает работу, раскручивая массивное колесо маховика коленчатого вала. Во время следующего такта (№4) вращающийся по инерции маховик через кривошипно-шатунный механизм двигает поршень вверх, выталкивая продукты сгорания через выхлопной клапан. Энергии маховика хватает и на два следующих такта (№1 и №2), когда поршень сначала, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр очередную порцию горючей смеси, а потом сжимает её, после чего она воспламеняется, и цикл повторяется вновь.

Бензиновый ДВС, изобретённый Н. Отто, оказался недостаточно мощным, и в 1892 году Р. Дизель разработал двигатель, работающий на смеси нефтяных масел и воздуха, обладающий большей мощностью, который впоследствии был назван его именем. Работа дизельного ДВС отличается от бензинового только тем, что воспламенение смеси дизельного топлива и воздуха происходит без электрической искры, а в результате повышения температуры горючей смеси при сжатии. Количество теплоты, выделяющееся при горении дизельного топлива, больше, чем при горении такого же объёма бензина, а цена меньше. Поэтому наиболее мощные ДВС работают на дизельном горючем. Однако продукты горения дизельного топлива содержат гораздо больше экологически вредных веществ.

Работа тепловых двигателей содержит следующие общие для всех них черты:

(1) чтобы двигатель совершил цикл своей работы, ему надо передать некоторое количество теплоты, Q 1 ,

(2) внутри двигателя расширяется газ, совершающий работу A 1 ; этот газ называют рабочим телом,

(3) чтобы рабочее тело стало расширяться, его необходимо нагреть до температуры, которую называют температурой нагревателя, Т 1 ,

(4) рабочее тело, расширяясь, охлаждается до температуры, которую называют температурой холодильника, Т 2 (Т2 охлаждаясь до температуры холодильника, рабочее тело отдаёт ему количество теплоты Q 2 ( Q 2 Q 1 ).

Завершая каждый цикл работы, рабочее тело двигателя возвращается в исходное состояние, получив от нагревателя количество теплоты Q 1 , отдав холодильнику — Q 2 и совершив работу A 1 . Так как внутренняя энергия рабочего тела в исходных состояниях одна и та же, то согласно первому закону термодинамики (30.2)

Таким образом, тепловой двигатель преобразует в работу только часть теплоты, полученной от нагревателя. Отношение работы, совершённой двигателем к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД), h . Французский физик С. Карно доказал, что

где в правой части стоит КПД идеального теплового двигателя.

Вопросы для повторения:

· Какие двигатели называют тепловыми?

· Опишите работу ДВС.

· Что такое КПД, и какова его максимальная величина?

Рис. 31. (а) – паровая машина Герона Александрийского; (б) – схематическое изображение четырёх тактов работы бензинового ДВС.

Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно нужно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), которое совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Теория
  • 3 Типы тепловых двигателей
    • 3.1 Двигатель Стирлинга
    • 3.2 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
    • 3.3 Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания
    • 3.4 Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания
    • 3.5 Реактивные и ракетные двигатели
      • 3.5.1 Турбовинтовой двигатель
      • 3.5.2 Турбореактивный двигатель
      • 3.5.3 Ракетный двигатель
        • 3.5.3.1 Твёрдотопливный ракетный двигатель
        • 3.5.3.2 Гибридный ракетный двигатель
        • 3.5.3.3 ЖРД (жидкостный ракетный двигатель)
    • 3.6 Твердотельные двигатели
    • 3.7 Дистилляционный двигатель
  • 4 Литература

История [ править ]

Первой известной тепловой конструкции была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ веке н. э. в Римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.

Теория [ править ]

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

  • — количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя() и холодильника():

Читать еще:  Ауди 100 в 45 кузове какой двигатель надежнее

Типы тепловых двигателей [ править ]

Двигатель Стирлинга [ править ]

Дви́гатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от создания разницы температур его цилиндров.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Двигатель Внутреннего Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.

В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. Цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. В цикле двухтактного двигателя такты рабочего хода и сжатия аналогичны четырёхтактному двигателю, а впуск и выпуск осуществляется одновременно в момент нахождения поршня вблизи от нижней мёртвой точки.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания [ править ]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания [ править ]

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели [ править ]

Идея реактивного и ракетного двигателя состоит в том, чтобы тяга создавалась не винтом, а отдачей выхлопных газов двигателя.

Турбовинтовой двигатель [ править ]

Турбовинтовой двигатель часть тяги создаёт за счёт винта, другую часть за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен воздушный винт.

Турбореактивный двигатель [ править ]

Турбореактивный двигатель создаёт тягу за счёт отдачи выхлопных газов. По конструкции он представляет собой газовую турбину (роторный двигатель внутреннего сгорания), на вал которой насажен компрессор, повышающий давление для эффективного сжигания топлива.

Ракетный двигатель [ править ]

Ракетный двигатель может создавать тягу в безвоздушном пространстве.

Твёрдотопливный ракетный двигатель [ править ]

Твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ). В РДТТ всё топливо в виде заряда помещается в камеру сгорания; двигатель обычно работает непрерывно до полного выгорания топлива.

РДТТ были первыми ракетными двигателями, нашедшими практическое применение. Ракеты с РДТТ (пороховые ракеты) известны уже около 1000 лет; они использовались как сигнальные, фейерверочные, боевые. Описания «огненных стрел» — прототипов пороховых ракет — содержатся в китайских иЗЮЗийских [неизвестный термин] рукописях 10 в. Это оружие представляло собой обычные стрелы, к которым прикреплялись бамбуковые трубки, заполненные порохом. В 1-й половине 17 в. в «Уставе» Онисима Михайлова описываются первые русские ракеты — артиллерийские ядра с каналом, в котором помещался пороховой заряд. В 1798

индийцы применяли боевые ракеты против английских колонизаторов, а в 1807 англичане использовали подобные ракеты в войне с Данией (при осаде Копенгагена). Первоначально топливом для РДТТ служил дымный порох. В конце 19 в. был разработан бездымный порох, превосходивший дымный по устойчивости горения и работоспособности. В дальнейшем были получены новые высокоэффективные виды твёрдых топлив, что позволило конструировать боевые ракеты с РДТТ самой различной дальности, вплоть до межконтинентальных баллистических ракет.

Гибридный ракетный двигатель [ править ]
ЖРД (жидкостный ракетный двигатель) [ править ]

Твердотельные двигатели [ править ]

В двигателях этого типа в качестве рабочего тела используется твёрдое тело, а при работе двигателя изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Такой двигатель позволяет использовать рекордно малый перепад температур при более высоком КПД.

Дистилляционный двигатель [ править ]

Существует разработка двигателя с внешним нагревом, в котором ротор в виде пустотелого кольца частично заполнен легкоиспаряемым твёрдым телом. Незаполненная часть ротора и часть рабочего тела нагреваются, образующийся пар перетекает из нагретой части ротора в ненагретую, нарушая тем самым равновесие ротора в поле силы тяжести. В результате ротор приводится во вращение. Особенностью двигателя является согласованность скорости вращения его ротора со скоростью испарения рабочего тела. Двигатель разработан для осуществления зонной дистилляции с многократным повторением в устройстве с вращающимся контейнером (Патент Украины №78272).

Физика что такое тепловой двигатель внутреннего сгорания

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом . В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами .

Читать еще:  Вибрация на педали сцепления и стук в двигателе

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты полностью превращается в работу при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной ():

.

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически . Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл , при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме () газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу , равную площади под кривой , при сжатии газ совершает отрицательную работу , равную по модулю площади под кривой . Полная работа за цикл на диаграмме () равна площади цикла. Работа положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем , а с более низкой – холодильником . Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты и отдает холодильнику количество теплоты . Полное количество теплоты , полученное рабочим телом за цикл, равно

.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (). Согласно первому закону термодинамики,

.

Отсюда следует:

.

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть () была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (, ) и двух адиабат (, ). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (, ), одной изобары () и одной изохоры (). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке () газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру . Газ изотермически расширяется, совершая работу , при этом к газу подводится некоторое количество теплоты . Далее на адиабатическом участке () газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу . Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения . На следующем изотермическом участке () газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре . Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу и отдает тепло , равное произведенной работе . Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения , газ совершает работу . Полная работа , совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

.

На диаграмме () эта работа равна площади цикла.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли его внутренней энергии. Для 1 моля газа

,

где и – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

.

По определению, коэффициент полезного действия цикла Карно есть

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине , когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы . Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной .

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме () обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

КПД теплового двигателя — обозначение, формула и значения

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Модификации тепловых машин:

  • Паровая машина;
  • машина Стирлинга;
  • двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
  • газовая турбина;
  • паровая турбина;
  • авиационные реактивные двигатели.

Устройства внешнего и внутреннего сгорания

По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.

Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.

Читать еще:  Газель двигатель 405 двигатель заводится и сразу глохнет

В устройствах внутреннего сгорания топливо горит внутри его камеры. Например, в автомобильном двигателе устроено от четырех до шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин сгорает, выделяя тепловую энергию. Цилиндры «работают» попеременно, чтобы обеспечить стабильную мощность двигателя, приводящего в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

  1. Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
  2. Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
  3. Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
  4. Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

КПД тепловой машины

Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.

Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.

Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η» — это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.

КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:

  • η — эффективность работы теплового двигателя или КПД;
  • T h — температура горячего источника;
  • T c -температура холодного источника.

Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax

Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.

Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

Причины неэффективности

Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:

  1. Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
  2. Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
  3. Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

Реальные КПД у современных машин

На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

  1. В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
  2. Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
  3. Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
  4. Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
  5. Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
  6. Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.

Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector