Toplotna učinkovitost. Učinkovitost toplotnega motorja - formula

Sodobne razmere prevzemajo široko izkoriščanje termalnih motorjev. Številni poskusi, da jih zamenjamo z elektromotorji, doslej niso uspeli. Težave, povezane z akumulacijo električne energije v avtonomnih sistemih, se rešujejo z veliko težavami.

Težave tehnologije proizvodnje električne energije so še vedno pomembne, ob upoštevanju njihove dolgoročne uporabe. Značilnosti hitrosti električnih vozil so daleč od tistih, ki jih imajo avtomobili na motorjih z notranjim zgorevanjem.

Prvi koraki za ustvarjanje hibridnih motorjev lahko znatno zmanjšajo škodljive emisije v meganah, rešujejo okoljske probleme.

Malo zgodovine

Možnost pretvorbe pare v energijo gibanja je bila znana v antičnih časih. 130 pne: Filozof Heron iz Aleksandrije je predstavil parno igračo - eolipil - občinstvu. Krogla, napolnjena s paro, se je začela vrteti pod delom curkov, ki so iz njega nastali. Ta prototip sodobnih parnih turbin v teh dneh ni našel uporabe.

Razvoj filozofa se že več let in stoletja šteje za zabavno igro. Leta 1629 je italijanski D. Branci ustvaril aktivno turbino. Steam nastavi v gibanju disk, opremljen z rezili.

Od tega trenutka se je začel hiter razvoj parnih strojev.

Termalni stroj

Transformacija notranja energija gorivo v energiji gibanja delov strojev in mehanizmov, ki se uporabljajo v termalni stroji.

Glavni deli strojev so grelec (sistem za pridobivanje energije od zunaj), delovni medij (koristen učinek), hladilnik.

Grelnik je zasnovan tako, da delovno telo nabira zadostno zalogo notranje energije za opravljanje uporabnega dela. Hladilnik odnese presežek energije.

Glavna značilnost učinkovitosti je učinkovitost termičnih strojev. Ta vrednost prikazuje porabo energije, porabljene za ogrevanje, za opravljanje koristnega dela. Čim večja je učinkovitost, boljša je učinkovitost naprave, vendar ta vrednost ne sme preseči 100%.

Izračun učinkovitosti

Naj grelec pridobi zunaj energije enako Q_1. Delovno telo je delalo A, medtem ko je bila energija, dodeljena hladilniku, Q_2.

Na podlagi definicije izračunajte vrednost učinkovitosti:

eta- = A / Q₁. Upoštevamo, da je A = Q₁ - Q_2.

Zato je učinkovitost termalnega stroja, katerega formula ima obliko eta- = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q_1, nam omogoča, da pripravimo naslednje sklepe:

• Učinkovitost ne sme presegati 1 (ali 100%);
• Da bi povečali to vrednost, je potrebno povečanje energije, ki jo dobimo od grelnika, ali zmanjšanje energije, ki jo dobimo hladilniku;
• Povečanje energije grelnika dosežemo s spreminjanjem kakovosti goriva;
• Zmanjšanje energije, dodeljene hladilniku, omogoča doseganje konstrukcijskih značilnosti motorjev.

Idealen toplotni motor

Ali je mogoče ustvariti takšen motor, katerega učinkovitost bi bila največja (idealno - enaka 100%)? Francoski teoretični fizik in nadarjeni inženir Sadi Carnot sta poskušala najti odgovor na to vprašanje. Leta 1824 so njegovi teoretični prikazi procesov v plinih postali javni.

Glavno idejo, ki je vgrajena v idealen stroj, lahko štejemo za izvedbo reverzibilnih procesov z idealnim plinom. Začnemo s plinsko ekspanzijo izotermalno pri temperaturi T₁. Količina toplote, ki je potrebna za to, je Q_1. Poplin brez izmenjave toplote se širi (proces je adiabatičen). Ko dosežemo temperaturo T₂, Plin je izotermno stisnjen, prenaša energijo Q₂. Plin se vrne v prvotno stanje adiabatno.

Učinkovitost idealni Carnotov toplotni motor s točno izračuna je razmerje temperaturno razliko med segrevanjem in naprave ohlajanje na temperaturo, ki ima grelec. Izgleda takole: eta = (T₁ - T₂) / T_1.

Možna učinkovitost termičnega stroja, katerega formula je: eta- = 1- T₂/ T₁, odvisna samo od vrednosti temperature grelnika in hladilnika in ne more biti večja od 100%.

Poleg tega to razmerje nam omogoča, da dokažemo, da je lahko učinkovitost termičnih strojev enaka enotnosti samo pri hladilniku absolutna nič temperature. Kot veste, je ta vrednost nedosegljiva.

Teoretični izračuni Carnot nam omogočajo, da določimo največjo učinkovitost termičnega stroja vseh oblik.

Izrek, ki ga dokazuje Carnot, se glasi takole: Samopotrdni termični stroj v nobenih pogojih ne more biti učinkovitejši, kot je idealen toplotni motor.

Primer reševanja problemov

Primer 1. Kakšna je učinkovitost idealnega termičnega stroja, če je temperatura grelnika 800^oZ in temperaturo hladilnika na 500^oOd spodaj?

T₁= 800^oC = 1073 K, ΔT = 500^oC = 500 K, eta-?

Rešitev:

Po definiciji: eta = (T₁ - T₂) / T_1.

Temperatura hladilnika nam ni dala, toda ΔT = (T₁ - T₂), od tukaj:

eta- = ΔT / T₁ = 500 K / 1073 K = 0,46.

Odgovor: Učinkovitost = 46%.

Primer 2. Ugotavljanja učinkovitosti idealnega toplotnega stroja, če zaradi energije pridobila eno kilodžul grelec opravili koristno delo 650 J. Kolikšna je temperatura grelca toplotnega motorja, če se temperatura hladilne tekočine. - 400 K?

Q₁ = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T₂ = 400 K, eta- - ?, T₁ =?

Rešitev:

V tem problemu govorimo o termični instalaciji, katere učinkovitost lahko izračunamo iz formule:

eta- = A / Q_1.

Za določitev temperature grelnika uporabljamo formulo za učinkovitost idealnega toplotnega motorja:

eta- = (T₁ - T₂) / T₁ = 1- T₂/ T_1.

Izvedba matematičnih transformacij dobimo:

T₁ = T₂ ((1- eta-).

T₁ = T₂ / (1 - A / Q₁).

Izračunamo:

eta- = 650 J / 1000 J = 0,65.

T₁ = 400 K / (1 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Odgovor: eta- = 65%, T₁ = 1142,8 K.

Realni pogoji

Idealen toplotni motor je zasnovan ob upoštevanju idealne procese. Delo poteka le v izotermnih procesih, njegova velikost pa je opredeljena kot območje, omejeno z grafom cikla Carnot.

Dejansko je nemogoče ustvariti pogoje za proces spreminjanja stanja plina brez spremljajočih temperaturnih sprememb. Ni takega materiala, ki bi izključil izmenjavo toplote z okoliškimi predmeti. Adiabatski proces postane nemogoč. V primeru izmenjave toplote se mora nujno spremeniti temperatura plina.

Učinkovitost termičnih strojev, ustvarjenih v realnih razmerah, se bistveno razlikuje od učinkovitosti idealnih motorjev. Upoštevajte, da je tok procesov v realnih iskalnikih se zgodi tako hitro, da je sprememba notranje toplotne energije delovne snovi v procesu spreminjanja njenega obsega ni mogoče nadomestiti z dotoka toplote količine grelec in hladilnik vrnitvi.

Drugi toplotni motorji

Realni motorji delujejo na drugih kolesih:

• Otto cikel: postopek za nespremenjeno količino se spreminja adiabatno, ustvarjanje zaprtega cikla;
• Diesel cikel: isobar, adiabat, izohor, adiabat;
• plinska turbina: proces, ki se pojavlja pri stalnih tlakih, se nadomesti z adiabatskim procesom, zapre cikel.

Ustvarjanje ravnovesnih procesov v realnih motorjih (da bi jih približali idealnim) v pogojih sodobne tehnologije ni mogoče. Učinkovitost termičnih strojev je precej nižja, pri čemer se upoštevajo enaki temperaturni pogoji kot pri idealni toplotni instalaciji.

Toda ne zmanjšajte vloge oblikovalske formule za učinkovitost Cikel Carnot, saj postane referenčna točka v procesu dela na povečevanju učinkovitosti realnih motorjev.

Načini za spreminjanje učinkovitosti

Če primerjamo idealne in realne termične motorje, je treba omeniti, da temperatura hladilnika ne more biti. Ponavadi hladilnik velja za atmosfero. Sprejmi temperaturo ozračja lahko le v približnih izračunih. Izkušnje kažejo, da je temperatura hladilne tekočine izpušni plin v motorjih, kot se to zgodi pri motorjih z notranjim zgorevanjem (skrajšano DVS).

ICE je najpogostejši termalni stroj v našem svetu. Učinkovitost toplotnega motorja v tem primeru je odvisna od temperature, ki jo povzroči gorivo. Bistvena razlika med ICE in parnimi motorji je združevanje funkcij grelnika in delovnega telesa naprave v mešanici zraka in goriva. Zgorevanje mešanica ustvarja pritisk na gibljive dele motorja.

Doseženi so povečani temperaturi delovnih plinov, kar bistveno spremeni lastnosti goriva. Na žalost je nemogoče storiti to neomejeno. Vsak material, iz katerega je zgorevalna komora motorja, ima svojo tališče. Toplotna upornost takšnih materialov je glavna značilnost motorja, pa tudi možnost, da pomembno vpliva na učinkovitost.

Vrednosti učinkovitosti motorja

Če upoštevamo parne turbine, delovna temperatura pare na vhodu je enaka 800 K, izpušni plin - 300 K, potem je učinkovitost tega stroja 62%. V resnici ta vrednost ne presega 40%. Takšno zmanjšanje nastane zaradi toplotnih izgub, ko se ogreva turbinska lupina.

Največja vrednost učinkovitosti motorjev z notranjim zgorevanjem ne presega 44%. Povečanje te vrednosti je stvar bližnje prihodnosti. Spreminjanje lastnosti materialov, goriva - to je težava, na kateri delujejo najboljši umovi človeštva.