Termiskā efektivitāte. Siltuma dzinēja efektivitāte - formula

Mūsdienu realitāte uzņemas plašu siltuma dzinēju izmantošanu. Daudzi mēģinājumi tos nomainīt ar elektromotoriem līdz šim nav bijuši. Problēmas, kas saistītas ar elektroenerģijas uzkrāšanos autonomās sistēmās, tiek atrisinātas ar lielām grūtībām.

Elektroenerģijas bateriju ražošanas tehnoloģijas problēmas joprojām ir svarīgas, ņemot vērā to ilgtermiņa lietošanu. Elektrisko transportlīdzekļu ātruma raksturojums ir tālu no iekšdedzes dzinēju automobiļu ātruma īpašībām.

Pirmie soļi, lai izveidotu hibrīda dzinējus, var ievērojami samazināt kaitīgās emisijas mežaugās, risinot vides problēmas.

Nedaudz vēstures

Iespēja pārveidot tvaika enerģiju kustības enerģijai bija zināma seniem laikiem. 130 BC: Filosofs Aleksandrijas herons iepazīstināja auditoriju ar tvaika rotaļlietu - eolipilu. Sfēra, kas piepildīta ar tvaiku, nonāca rotācijā zem spiediena, kas rodas no tā. Mūsdienu tvaika turbīnu prototips šajās dienās neatrada lietojumprogrammu.

Filozofa ilgi un gadsimtiem ilgi tika uzskatīti tikai par smieklīgu rotaļlietu. Itālijas D. Branci 1629. gadā izveidoja aktīvu turbīnu. Steam iedarbina disku, kas aprīkots ar asmeņiem.

No šī brīža sāka strauji attīstīties tvaika dzinējiem.

Siltuma mašīna

Termiskajās iekārtās tiek izmantota degvielas iekšējā enerģija, kas tiek pārveidota par mašīnu un mehānismu daļu kustības enerģiju .

Galvenās mašīnu daļas ir sildītājs (sistēma enerģijas iegūšanai no ārpuses), darba ķermenis (tas padara noderīgu efektu), ledusskapis.

Sildītājs ir paredzēts, lai darba ķermenis varētu uzkrāt pietiekamu iekšējās enerģijas daudzumu, lai veiktu noderīgu darbu. Ledusskapis atņem lieko enerģiju.

Galvenā efektivitāte ir siltuma mašīnu efektivitāte. Šī vērtība parāda, cik liela apkurei patērētā enerģija tiek tērēta noderīga darba veikšanai. Jo augstāka efektivitāte, jo labāka ir mašīnas veiktspēja, bet šī vērtība nedrīkst pārsniegt 100%.

Efektivitātes aprēķins

Ļaujiet sildītājam iegūt no ārpuses enerģiju, kas vienāda ar Q _{1 .} Darba ķermenis strādāja A, kamēr ledusskapja enerģija bija Q _{2 .}

Pamatojoties uz definīciju, aprēķiniet efektivitātes vērtību:

Η = A / Q ₁ . Mēs ņemam vērā, ka A = Q1 - Q2 _.

Tādējādi siltuma dzinēja efektivitāte, kuras formula ir forma η = (Q ₁ - Q ₂ ) / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q _1, ļauj izdarīt šādus secinājumus:

• Efektivitāte nedrīkst pārsniegt 1 (vai 100%);
• Lai maksimāli palielinātu šo vērtību, ir nepieciešams vai nu palielināt enerģiju, kas saņemta no sildītāja, vai samazinot enerģiju, kas dota ledusskapī;
• Palieliniet sildītāja enerģiju, lai panāktu degvielas kvalitātes izmaiņas;
• Enerģijas samazināšana ledusskapī ļauj sasniegt motoru dizaina īpašības.

Ideāls siltuma dzinējs

Vai ir iespējams izveidot tādu dzinēju, kura efektivitāte būtu maksimāla (ideālā gadījumā - 100%)? Franču teorētiskais fiziķis un talantīgais inženieris Sadi Carnot centās atrast atbildi uz šo jautājumu. 1824. gadā tika publiskoti viņa teorētiskie pārskati par procesiem, kas notiek gāzēs.

Ideāla mašīna ir ideāla ideja, ko var uzskatīt par atgriezeniskiem procesiem ar ideālu gāzi. Mēs sākam ar gāzes izplešanos izotermā ar temperatūru T ₁ . Šim nepieciešamais siltuma daudzums ir Q _1. Pēc Gāze bez siltumapmaiņas paplašinās (adiabātiskais process). Sasniedzot temperatūru T ₂ , gāze tiek izotriski saspiesta, pārnesot enerģiju Q ₂ uz ledusskapi. Gāzes atdeve sākotnējā stāvoklī tiek veikta adiabātiski.

Ideāla Carnot termiskā dzinēja efektivitāte precīzai aprēķināšanai ir vienāda ar temperatūras starpības starp apkures un dzesēšanas ierīcēm un sildītāja temperatūras attiecību. Tas izskatās šādi: η = (T ₁ - T ₂ ) / T _1.

Siltuma mašīnu iespējamā efektivitāte, kuras formule ir šāda: η = 1 - T ₂ / T ₁ , ir atkarīgs tikai no sildītāja un dzesētāja temperatūras un nevar būt lielāks par 100%.

Turklāt šī attiecība ļauj mums pierādīt, ka siltumtehnisko iekārtu efektivitāte var būt vienāda ar vienību tikai tad, kad ledusskapis sasniedz pilnīgu nulles temperatūru. Kā jūs zināt, šī vērtība nav sasniegta.

Carnot teorētiskie aprēķini ļauj mums noteikt jebkuras konstrukcijas siltuma mašīnu maksimālo efektivitāti.

Teorēma, ko pierāda Carnot, ir šāda. Pielāgota siltuma mašīna jebkuros apstākļos nevar nodrošināt lielāku efektivitāti nekā ideāla siltuma dzinējs.

Problēmu risināšanas piemērs

Piemērs 1. Kāda ir ideālas termiskās iekārtas efektivitāte, ja sildītāja temperatūra ir 800 ^o C, un ledusskapja temperatūra ir 500 ^o C zemāka?

T ₁ = 800 ^о С = 1073 К, ΔT = 500 ^о С = 500 К, η -?

Risinājums:

Pēc definīcijas: η = (T ₁ - T ₂ ) / T _1.

Mums netiek dota ledusskapja temperatūra, bet ΔT = (T ₁ - T ₂ ), tātad:

Η = ΔT / T ₁ = 500 K / 1073 K = 0,46.

Atbilde: efektivitāte = 46%.

2. piemērs. Nosakiet ideālas termiskās mašīnu efektivitāti, ja iegādātā kilodžūļa sildītāja enerģijas iegādes cenā tiek veikts noderīgs darbs 650 J. Kāda ir siltuma dzinēja sildītāja temperatūra, ja dzesētāja temperatūra ir 400 K?

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

Risinājums:

Šajā problēmā mēs runājam par siltuma iekārtu, kuras efektivitāti var aprēķināt pēc formulas:

Η = A / Q _1.

Lai noteiktu sildītāja temperatūru, mēs izmantojam ideālas termiskās iekārtas efektivitātes formulu:

H = (T ₁ - T ₂ ) / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

Veicot matemātiskos pārveidojumus, iegūstam:

T ₁ = T ₂ / (1 - η).

T ₁ = T ₂ / (1-A / Q ₁ ).

Mēs aprēķinām:

H = 650 J / 1000 J = 0.65.

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

Atbilde ir: η = 65%, T ₁ = 1142.8 K.

Reālie apstākļi

Ideālais siltuma dzinējs ir izstrādāts, ņemot vērā ideālos procesus. Darbs tiek veikts tikai izotermās procesos, tā apjomu definē kā apgabalu, ko ierobežo Carnot cikla grafiks.

Faktiski nav iespējams radīt apstākļus gāzes stāvokļa maiņas procesam bez papildu temperatūras izmaiņām. Nav materiālu, kas izslēgtu siltuma apmaiņu ar apkārtējiem priekšmetiem. Adiabātiskais process nav iespējams. Siltuma apmaiņas gadījumā gāzes temperatūra obligāti jāmaina.

Reālos apstākļos izveidoto termisko mašīnu efektivitāte ievērojami atšķiras no ideālo dzinēju efektivitātes. Mēs atzīmējam, ka process reālos dzinējos ir tik ātrs, ka darba vielas iekšējās siltumenerģijas izmaiņas tā apjoma maiņas procesā nevar kompensēt ar siltuma pieplūdi no sildītāja un atgriešanās ledusskapī.

Citi termiski dzinēji

Real dzinēji darbojas citos ciklos:

• Otto cikls: nemainītā tilpuma process adiabētiski mainās, izveidojot slēgtu ciklu;
• Dīzeļvilciens: izobars, adiabāts, izohors, adiabāts;
• Gāzes turbīna: process, kas notiek pastāvīgā spiedienā, tiek aizstāts ar adiabātisku procesu, tiek noslēgts cikls.

Lai izveidotu līdzsvara procesus īstos dzinējos (lai tos tuvinātu ideāliem) mūsdienu tehnoloģiju apstākļos nav iespējams. Siltumtehnikas efektivitāte ir daudz zemāka, pat ņemot vērā tādus pašus temperatūras apstākļus kā ideālai siltuma iekārtai.

Bet nevajadzēs samazināt dizaina formulas nozīmi Carnot cikla efektivitātei , jo tā kļūst par atskaites punktu darbam ar reālu dzinēju efektivitātes paaugstināšanu.

Efektivitātes maiņas veidi

Salīdzinot ideālos un reālos siltuma dzinējus, ir vērts atzīmēt, ka ledusskapja temperatūra nevar būt jebkura. Parasti ledusskapis tiek uzskatīts par atmosfēru. Temperatūru atmosfērā var pieņemt tikai aptuveni aprēķinos. Pieredze rāda, ka dzesētāja temperatūra ir vienāda ar izplūdes gāzu temperatūru dzinējos, kā tas ir attiecībā uz iekšdedzes dzinējiem (saīsināti ar ICE).

ICE ir visbiežāk sastopamā termināla mašīna mūsu pasaulē. Siltuma dzinēja efektivitāte šajā gadījumā ir atkarīga no degšanas radītās temperatūras. Būtiska atšķirība starp ICE un tvaika dzinējiem ir ierīces sildītāja un darba ķermeņa funkciju saplūšana gaisa un degvielas maisījumā. Dedzinot, maisījums rada spiedienu uz motora kustīgajām daļām.

Tiek sasniegts darba gāzu temperatūras paaugstinājums, būtiski mainot degvielas īpašības. Diemžēl tas nav iespējams izdarīt bez ierobežojumiem. Jebkurš materiāls, no kura izgatavota motora sadegšanas kamera, ir kušanas temperatūra. Šo materiālu siltuma pretestība ir galvenā dzinēja īpašība, kā arī iespēja būtiski ietekmēt efektivitāti.

Motora efektivitātes vērtības

Ja mēs uzskatām tvaika turbīnu ar darba tvaika ieplūdes temperatūru 800 K un izplūdes gāzi 300 K, šīs mašīnas efektivitāte ir 62%. Patiesībā šī vērtība nepārsniedz 40%. Šāds samazinājums rodas termisko zudumu dēļ, kad turbīna korpuss tiek uzkarsēts.

Iekšdedzes dzinēju efektivitāte augstākā vērtība nepārsniedz 44%. Šīs vērtības palielināšana ir jautājums par tuvāko nākotni. Materiālu, degvielu īpašību maiņa ir problēma, uz kuru attiecas labākie cilvēka prāti.