Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Эффективность работы теплового двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика эффективности механизма преобразующего энергию. КПД обычно обозначается символом η, и представляет собой отношение полезной работы к полной работе.

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

Полезная работа — это та работа, которая требуется от данного механизма.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя подразумевает отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

В науку и технику определение КПД двигателя ввёл в 1824 году французский инженер Сади Карно.

Понятие максимального значения

В силу закона сохранения энергии часть теплоты при передаче неизбежно теряется. Также часть энергии всегда отдается холодильнику. Вывод: невозможно получить полезной работы больше или столько же, сколько затрачено энергии.

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

§ 24. КПД теплового двигателя

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.

Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Вопросы

  1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
  2. Что называют КПД теплового двигателя?
  3. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?
  4. Какой такт работы двигателя внутреннего сгорания изображён на рисунке 29?

Упражнение 17

  1. Можно ли за счёт внутренней энергии тела, равной 200 Дж, совершить механическую работу в 200 Дж?
  2. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты, равное 155 Дж, а холодильнику отдаёт количество теплоты, равное 85 Дж. Определите КПД машины.
  3. Определите количество теплоты, отданное двигателем внутреннего сгорания холодильнику, если его КПД равен 30%, а полезная работа равна 450 Дж.

Задание

Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору). История изобретения паровых машин.

  • История изобретения турбин.
  • Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
  • Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин.
  • Использование энергии Солнца на Земле.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно его приобрести.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «КПД теплового двигателя»

На прошлых уроках мы познакомились с явлением превращения внутренней энергии в механическую на примере тепловых машин, в частности двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины.

Однако не следует думать, что вся энергия, передаваемая нагревателю рабочим телом, уходит на совершение полезной работы. В тепловом двигателе превращается в механическую энергию только часть энергии, которую рабочее тело получает от нагревателя. Часть энергии передаётся холодильнику, а ещё часть энергии идёт на совершение работы против сил сопротивления.

Если обозначить количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя Q1, а количество теплоты, отданное холодильнику — Q2, то работа, совершённая двигателем, будет равна: A = Q1Q2.

Отношение совершённой двигателем работы к количеству теплоты, полученному им от нагревателя называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД):

Коэффициент полезного действия показывает, какая часть энергии, полученная от нагревателя, пошла на совершение работы.

Поскольку количество теплоты, отданное нагревателем, всегда больше количества теплоты, которое получил холодильник, то очевидно, что коэффициент полезного действия не может быть больше единицы. Поэтому его часто выражают в процентах.

Учёные и инженеры многое сделали для повышения эффективности тепловых двигателей. Так, например, коэффициент полезного действия первых паровых машин составлял всего около 1%, а КПД современных тепловых двигателей составляет от 20% до 40%. Таков же примерно и КПД паровых турбин на тепловых электростанциях.

Из формулы следует, что для повышения коэффициента полезного действия теплового двигателя необходимо увеличить количество теплоты, которое он получает от нагревателя, и уменьшить количество теплоты, отдаваемое холодильнику.

Читать еще:  Двигатели для моторных лодок характеристики

Для большего понимания рассмотрим решение следующей задачи. В топке котла паровой турбины расходуется 350 г дизельного топлива на 1 кВт ∙ ч энергии. Вычислите КПД турбины.

Как вы могли заметить, в тепловых двигателях происходит передача некоторого количества теплоты от нагревателя холодильнику и при этом совершается работа. Но существуют такие тепловые машины, в которых осуществляется обратный процесс, то есть теплота передаётся от холодильника нагревателю. Работа в этом случае совершается внешними силами. Такие тепловые машины называют холодильными машинами или просто холодильниками. Первые холодильные установки были разработаны в тысяча восемьсот семьдесят четвёртом году К. Линде.

Очевидно, что для совершения внешними силами работы над рабочим телом необходимы затраты энергии. Так при работе бытового холодильника затрачивается электрическая энергия.

Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики.

Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Источником поступающего количества теплоты в реальных двигателях могут быть сгорающее органическое топливо, разогретый Солнцем котел, ядерный реактор, геотермальные воды и т.д.

В настоящее время наиболее распространены два типа двигателей: поршневой двигатель внутреннего сгорания (сухопутный и водный транспорт) и паровая или газовая турбина (энергетика).

Первые тепловые двигатели, широко распространившиеся в промышленности, назывались паровыми машинами. К современным тепловым двигателям можно отнести ракетные и авиационные двигатели.

Модель теплового двигателя и ее составные части

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Читать еще:  Что такое двигатель типтроник

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-изотермический

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

  1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
  2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
  3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

Содержание

  • 1 Теория
  • 2 Циклы тепловых двигателей
  • 3 Типы тепловых двигателей
    • 3.1 Двигатель внешнего сгорания
      • 3.1.1 Паровая машина
      • 3.1.2 Паровая турбина
      • 3.1.3 Двигатель Стирлинга
    • 3.2 Двигатель внутреннего сгорания
      • 3.2.1 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
      • 3.2.2 Газовая турбина
      • 3.2.3 Реактивный двигатель
      • 3.2.4 Другие типы
    • 3.3 Твёрдотельные двигатели
    • 3.4 Атмосфера и гидросфера Земли
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = | Q H | − | Q X | | Q H | = 1 − | Q X | | Q H | right|-left|Q_right|>right|>>=1-right|>right|>>>

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( T H > ) и холодильника( T X > ):

Однако, смотря по устройству двигателя, его теоретический КПД может быть меньше такого для цикла Карно. Так, для наиболее распространённого двигателя Отто, работающего по циклу Отто, теоретический КПД циклла составляет:

Так называемый индикаторный КПД меньше теоретического, что показывает несовершенство осуществляемого цикла (отличие индикаторной диаграммы от теоретической ввиду потерь теплоты в стенки, отличного от нуля времени нагрева газа, наполнения и очистки цилиндра).

В свою очередь, эффективный КПД (учитывающий все потери, до выходного вала) ещё меньше на сумму механических потерь и потерь на привод систем двигателя (масляный насос, системы газораспределения, охлаждения и другие — в зависимости от устройства).

Почти любая спроектированная конструкция теплового двигателя использует термодинамический цикл, показывающий изменение состояния рабочего тела. Это не относится к твердотельным двигателям, у которых меняется состояние конструкции двигателя, а не газа или жидкости внутри него. Наиболее широко известны цикл Ренкина, регенеративный цикл (паровые машины), классический цикл Отто, цикл Дизеля.

Двигатель внешнего сгорания Править

Такие двигатели получили распространение раньше, ввиду неприхотливости к виду топлива, более простому устройству, ненужности в ранних вариантах (паровая машина) систем запуска, зажигания, охлаждения. Дали мощный импульс индустриализации, поскольку с их помощью были механизированы шахты, швейные и другие фабрики, затем транспорт (железная дорога). Улучшенные новые схемы таких двигателей обеспечивают мир большей частью вырабатываемой электроэнергии (ТЭС, АЭС, ТЭЦ, солнечные электростанции с нагревом котла). Новейшие модели паровозов до сих пор имеют применение ввиду простоты и потреблению древесной пыли в качестве топлива. Некоторые (двигатель Стирлинга) получили применение в космических кораблях.

Паровая машина Править

Является наиболее старым тепловым двигателем, первые конструкции которого относятся к XVII веку. Использовалась вначале исключительно в стационарном применении (насосы для рудничных вод, привод вагонеток), затем была установлена на транспортные средства: паровоз, пароход, паромобиль. Имеет широкий диапазон рабочих скоростей с умеренным КПД (ранние версии около 4%, наиболее поздние 12..14% [3] .

Паровая турбина Править

Иначе: турбозубчатый агрегат (ТЗА). Получила распространение вначале на военных кораблях, взамен паровых машин. Имея значительно меньшие размеры, турбина позволила улучшить скоростные и уменьшить массогабаритные показатели, при снижении экономичности на частичных нагрузках. В настоящее время имеет широчайшее применение на тепловых и атомных электростанциях, где хороший КПД паровых турбин поддерживается за счёт высоких показателей (температура, давление) пара и режима работы агрегата, близкого к максимальной мощности.

Двигатель Стирлинга Править

Поршневой двигатель с утилизацией внешней теплоты, без потери рабочего тела, которое остаётся внутри двигателя. Имеет наивысший КПД среди двигателей внешнего сгорания, при умеренной единичной мощности и высокой стоимости. Применение: космические аппараты [4] , подводные лодки [5] .

Читать еще:  Что такое детонация двигателя тойоты

Двигатель внутреннего сгорания Править

Более поздние и сложные конструкции тепловых двигателей, обладающие высокими удельными массовыми показателями, почему получили основное применение на транспорте. В силу интенсивного рабочего процесса имеют меньшую теплопередачу в стенки, и потому более высокий термический КПД. Единственные двигатели, обеспечивающие полёты, включая космические (вывод на орбиту).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания Править

Наиболее распространённый (по числу) тепловой двигатель. Устанавливается на многочисленные транспортные средства, также на локомотивы, электростанции умеренной мощности, морские суда и корабли. Особенностью является хороший КПД в широких диапазонах мощности. Требует трансмиссии (кроме дизель-молотов и свободно-поршневых генераторов газа).

Газовая турбина Править

Иначе: газотурбинный двигатель. Имеет сравнительно узкий диапазон мощностей с достаточным КПД, зато более высокие массогабаритные показатели. Отдаёт крутящий момент с достаточно большими оборотами, часто требует редуктора, системы запуска, зажигания, и других. Использовался в турбовинтовых двигателях самолётов, широко применяется в мощных электростанциях, силовых установках кораблей и быстроходных судов (судно на воздушной подушке, глиссер, судно на подводных крыльях).

Реактивный двигатель Править

Одновременно является движителем (отдаёт мощность в виде поступательного движения газа). Применяется в авиации (реактивный самолёт) и космонавтике (химический ракетный двигатель). Способен работать в безвоздушном пространстве (в камеру сгорания подаётся как топливо, так и окислитель).

Другие типы Править

Под классификацию тепловых двигателей внутреннего сгорания попадает огнестрельное оружие [6] , дизель-молот и свободнопоршневой генератор газа.

Твёрдотельные двигатели Править

Такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур. [7]

  • Johnson thermoelectric energy converter (JTEC) — использует электрохимическое окисление и восстановление водорода в паре ячеек, реализует тепловой цикл, приближенный к циклуДжона Эрикссона[8]
  • металлические двигатели, использующие изменение формы различных твердых сплавов из-за температуры, например составов с памятью формы или теплового расширения твердых тел [9]

Атмосфера и гидросфера Земли Править

Эти оболочки планеты в свою очередь являются грандиозными тепловыми двигателями, работающими на перепаде температур по высоте атмосферы, глубине воды, и широте местности. Получаемая механическая работа при движении воздуха и воды, в свою очередь, переходит в тепло и рассеивается, хотя ничтожная часть её используется для привода многочисленных ветроэлектростанций и станций, работающих на температурном градиенте воды.

Формулы коэффициента полезного действия

Мы уже выяснили, что работа газа всегда меньше полученной теплоты. Чтобы ответить на вопрос, какую часть от полученной теплоты будет составлять работа, составим дробь:

(large A left(text <Дж>right) ) – работа газа;

Эту дробь обозначают греческой буквой «эта» (eta) и называют коэффициентом полезного действия (КПД). Так как этот коэффициент дает понятие о том, как соотносятся работа, совершенная газом и, полученная им тепловая энергия.

Числитель этой дроби всегда меньше знаменателя, математики такие дроби называют правильными. Если КПД теплового двигателя описывается правильной дробью, значит, он не может превышать единицу (рис. 5).

КПД теплового двигателя не превышает единицу, так как описывается правильной дробью.

Если подставить в числитель выражение для работы, получим развернутое выражение для вычисления КПД:

Правая часть уравнения – это две дроби, имеющие одинаковые знаменатели. Если записать правую часть в виде отдельных дробей, то можно получить такое соотношение:

Подставим его в выражение для КПД и получим еще одну формулу:

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:

  • 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.
  • Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
  • Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
  • Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
  • 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.
  • 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