Wydajność cieplna. Skuteczność silnika cieplnego – wzór

Nowoczesne realia zakładają szeroką eksploatację silników cieplnych. Liczne próby zastąpienia ich silnikami elektrycznymi były do tej pory niewłaściwe. Problemy związane z akumulacją energii elektrycznej w systemach autonomicznych są rozwiązane z wielką trudnością.

Problemy związane z technologią wytwarzania baterii elektrotechnicznych są nadal aktualne, biorąc pod uwagę ich długotrwałe użytkowanie. Charakterystyka prędkości pojazdów elektrycznych jest daleka od charakterystyk samochodów w silnikach spalinowych.

Pierwsze kroki w celu stworzenia silników hybrydowych mogą znacznie ograniczyć szkodliwe emisje w wielkich miastach, rozwiązywać problemy środowiskowe.

Trochę historii

Możliwość przekształcania energii parowej w energię ruchu była znana w czasach starożytnych. 130 rpne: Filozof Heron Aleksandrii przedstawił publiczności zabawkę parową – eolipil. Kula, napełniona parą, weszła w ruch obrotowy pod działaniem strumieni pochodzących z niego. Ten prototyp nowoczesnych turbin parowych w tamtych czasach nie znalazł zastosowania.

Długie lata i wieki rozwoju filozofa uważano za zabawne zabawki. W 1629 r. Włoski D. Branci stworzył aktywną turbinę. Para w ruchu dysku wyposażonego w ostrza.

Od tego momentu rozpoczął się szybki rozwój silników parowych.

Maszyna termiczna

Transformacja wewnętrznej energii paliwa w energię przemieszczania części maszyn i mechanizmów jest stosowana w maszynach termicznych.

Głównymi częściami maszyny są: grzałka (system pozyskiwania energii z zewnątrz), ciało robocze (ma to korzystny wpływ), lodówka.

Grzejnik jest zaprojektowany tak, aby umożliwić korpus roboczy zgromadzenie wystarczającego dopływu energii wewnętrznej w celu przeprowadzenia użytecznej pracy. Lodówka pobiera nadmiar energii.

Główną cechą efektywności jest sprawność maszyn termicznych. Ta wartość pokazuje, ile energii przeznaczonej na ogrzewanie jest przeznaczane na podjęcie pracy. Im wyższa wydajność, tym lepiej wydajność maszyny, ale ta wartość nie może przekroczyć 100%.

Obliczanie skuteczności

Niech nagrzewnica pobiera z zewnątrz energię równą Q _{1 .} Ciało robocze działało A, podczas gdy energia dostarczana do lodówki wyniosła Q2 _.

Na podstawie definicji obliczyć wartość skuteczności:

Η = A / Q ₁ . Bierzemy pod uwagę, że A = Q ₁ – Q _2.

Zatem skuteczność silnika cieplnego, którego formuła ma formę η = (Q ₁ – Q ₂ ) / Q ₁ = 1 – Q ₂ / Q _1, pozwala nam wyciągnąć następujące wnioski:

• Wydajność nie może przekraczać 1 (lub 100%);
• Aby zmaksymalizować tę wartość, konieczne jest zwiększenie energii otrzymanej z nagrzewnicy lub zmniejszenie energii dostarczanej do lodówki;
• Zwiększyć energię nagrzewnicy w celu osiągnięcia zmiany jakości paliwa;
• Ograniczenie energii dostarczanej do lodówki umożliwia osiągnięcie cech konstrukcyjnych silników.

Idealny silnik ciepła

Czy można stworzyć taki silnik, którego efektywność byłaby maksymalna (najlepiej 100%)? Francuski teoretyczny fizyk i utalentowany inżynier Sadi Carnot próbowali znaleźć odpowiedź na to pytanie. W 1824 r. Jego teoretyczne sprawozdania dotyczące procesów zachodzących w gazach podano do publicznej wiadomości.

Główną ideą osadzoną w idealnej maszynie można uznać za odwracalne procesy za pomocą idealnego gazu. Zaczynamy od ekspansji gazowej izotermicznie w temperaturze T1. Wymagana ilość ciepła to _1. Po Gaz bez wymiany ciepła rozszerza się (proces adiabatyczny). Po osiągnięciu temperatury T2 gaz jest izotermicznie sprężany, przenosząc energię Q2 do lodówki. Powrót gazu do pierwotnego stanu odbywa się adiabatycznie.

Wydajność idealnego silnika termicznego Carnot do dokładnego obliczania jest równa stosunkowi różnicy temperatur między urządzeniami grzewczo-chłodzącymi a temperaturą nagrzewnicy. Wygląda tak: η = (T ₁ – T ₂ ) / T _1.

Możliwa sprawność maszyny termicznej, której wzór ma formę: η = 1 – T2 / T1, zależy tylko od temperatury grzejnika i chłodnicy i nie może przekraczać 100%.

Ponadto związek ten pozwala nam udowodnić, że wydajność maszyn termicznych może być równa jedności tylko wtedy, gdy lodówka osiągnie absolutną zerową temperaturę. Jak wiadomo, ta wartość jest nieosiągalna.

Teoretyczne obliczenia Carnot umożliwiają określenie maksymalnej efektywności termicznej maszyny dowolnego wzoru.

Twierdzenie udowodnione przez Carnot jest następujące. Samoczynna maszyna termiczna w dowolnych warunkach nie może być wydajniejsza niż sprawny silnik ciepła.

Przykład rozwiązywania problemów

Przykład 1. Jaka jest skuteczność idealnej maszyny termicznej, jeśli temperatura grzejnika wynosi 800 ° C, a temperatura lodówki wynosi 500 ° C?

T1 = 800 ° C = 1073 ° C, ΔT = 500 ° C = 500 ° C, η –

Rozwiązanie:

Z definicji: η = (T ₁ – T ₂ ) / T _1.

Nie podajemy temperatury lodówki, ale ΔT = (T ₁ – T ₂ ), a zatem:

Η = ΔT / T ₁ = 500 K / 1073 K = 0,46.

Odpowiedź: Wydajność = 46%.

Przykład 2. Określić sprawność idealnej maszyny termicznej, jeśli koszt zakupu jednego kilodła energii grzejnej, to jest użyteczna praca wynosząca 650. Jaka jest temperatura grzałki silnika ciepła, jeśli temperatura chłodnicy wynosi 400 K?

Q ₁ = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T ₂ = 400 K, η – y, T ₁ =?

Rozwiązanie:

W tym problemie mówimy o instalacji termicznej, której skuteczność można obliczyć ze wzoru:

Η = A / Q _1.

W celu określenia temperatury grzejnika używamy wzoru efektywności idealnej maszyny termicznej:

Η = (T ₁ – T ₂ ) / T ₁ = 1 – T2 / T1 _.

Przeprowadzając transformacje matematyczne dostajemy:

T1 = T2 / (1 – η).

T ₁ = T ₂ / (1-A / Q ₁ ).

Obliczamy:

Η = 650 J / 1000 J = 0,65.

T ₁ = 400 K / (1 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Odpowiedź brzmi: η = 65%, T ₁ = 1142,8 K.

Rzeczywiste warunki

Idealny silnik cieplny został zaprojektowany z uwzględnieniem idealnych procesów. Prace są wykonywane tylko w procesach izotermicznych, jego wielkość określa się jako obszar ograniczony wykresem cyklu Carnot.

W rzeczywistości nie jest możliwe stworzenie warunków dla procesu zmiany stanu gazu bez towarzyszących zmian temperatury. Nie ma materiałów, które wykluczałyby wymianę ciepła z otoczeniem. Proces adiabatyczny jest niemożliwy. W przypadku wymiany ciepła temperatura gazu musi się zmieniać.

Wydajność maszyn termicznych powstających w rzeczywistych warunkach znacznie różni się od efektywności idealnych silników. Zauważamy, że proces w silnikach realnych jest tak szybki, że zmiana wewnętrznej energii cieplnej substancji roboczej podczas procesu zmiany jego objętości nie może być skompensowana przez napływ ciepła z grzejnika i powrót do lodówki.

Inne silniki cieplne

Prawdziwe silniki pracują w innych cyklach:

• Cykl Otto: proces niezmienionej objętości zmienia się adiabatycznie, tworząc cykl zamknięty;
• Cykl olejowy: isobar, adiabat, isochor, adiabat;
• Turbina gazowa: proces, który zachodzi pod stałym ciśnieniem, zastępuje proces adiabatyczny, zamyka cykl.

Aby stworzyć procesy równowagi w silnikach rzeczywistych (w celu przybliżenia ich do idealnych) w warunkach nowoczesnej technologii nie jest możliwe. Wydajność maszyn termicznych jest znacznie niższa, nawet biorąc pod uwagę takie same warunki jak w idealnej instalacji grzewczej.

Ale nie zmniejszaj roli wzoru projektowego dla efektywności cyklu Carnot, ponieważ staje się punktem odniesienia w procesie pracy nad zwiększeniem sprawności silników rzeczywistych.

Sposoby zmiany efektywności

Dokonując porównania idealnych i rzeczywistych silników cieplnych, warto zauważyć, że temperatura lodówki nie może być dowolna. Zwykle lodówka jest uważana za atmosferę. Temperatura atmosfery może być przyjęta jedynie w przybliżonych obliczeniach. Doświadczenie pokazuje, że temperatura chłodnicy jest równa temperaturze spalin w silnikach, jak ma to miejsce w przypadku silników spalinowych (w skrócie ICE).

ICE jest najczęstszą maszyną termiczną na świecie. Sprawność silnika ciepłowniczego w tym przypadku zależy od temperatury powstałej w wyniku spalania paliwa. Znacząca różnica między silnikami ICE a silnikami parowymi polega na połączeniu funkcji grzejnika i korpusu roboczego urządzenia w mieszaninie paliwowo-powietrznych. Palenie powoduje powstanie ciśnienia na ruchomych częściach silnika.

Powoduje wzrost temperatury gazów roboczych, co znacznie zmienia właściwości paliwa. Niestety, niemożliwe jest to bez ograniczeń. Każdy materiał, z którego wykonana jest komora spalania, ma temperaturę topnienia. Odporność na ciepło tych materiałów jest główną cechą charakterystyczną silnika, a także możliwość znacznego wpływu na sprawność.

Wartości sprawności silnika

Jeśli weźmiemy pod uwagę turbinę parową o roboczej temperaturze na wlocie pary 800 K i gazie spalinowym 300 K, sprawność tego urządzenia wynosi 62%. W rzeczywistości wartość ta nie przekracza 40%. Taka redukcja następuje z powodu strat cieplnych, gdy obudowa turbiny jest podgrzewana.

Najwyższa sprawność silników spalinowych nie przekracza 44%. Zwiększenie tej wartości jest kwestią niedalekiej przyszłości. Zmiana właściwości materiałów, paliw jest problemem, nad którym działają najlepsze umysły ludzkości.