Toplinska učinkovitost. Učinkovitost toplinskog motora - formula

Suvremene stvarnosti pretpostavljaju široku eksploataciju toplinskih motora. Brojni pokušaji zamjene električnim motorima do sada nisu uspjeli. Problemi povezani s akumulacijom električne energije u autonomnim sustavima rješavaju se s velikim teškoćama.

Problemi tehnologije proizvodnje baterija za električnu energiju i dalje su važni, uzimajući u obzir njihovu dugoročnu upotrebu. Značajke brzine električnih vozila daleko su od onih automobila na motorima s unutarnjim izgaranjem.

Prvi koraci za stvaranje hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u megaštitima, rješavajući probleme okoliša.

Malo povijesti

Mogućnost pretvaranja pare energije u energiju kretanja bila je poznata u davna vremena. 130. pne: Philosopher Heron iz Aleksandrije predstavio je igračku paru - eolipil - publici. Sfera, napunjena para, došla je u rotaciju pod djelovanjem zrakoplova koji su proizlazili iz njega. Ovaj prototip suvremenih parnih turbina tih dana nije pronašao primjenu.

Već dugi niz godina i stoljeća razvoj filozofa smatra se samo zabavnom igračkom. Godine 1629. talijanski D. Branci stvorio je aktivnu turbinu. Par postavlja disk koji je opremljen lopaticama.

Od ovog trenutka počeo je brz razvoj parnih strojeva.

Termalni stroj

transformacija unutarnja energija gorivo u energiji kretanja dijelova strojeva i mehanizama koji se koriste u toplinskim strojevima.

Glavni dijelovi strojeva su grijač (sustav za dobivanje energije izvana), radni medij (čini koristan učinak), hladnjak.

Grijač je namijenjen radnom tijelu da akumulira dovoljnu količinu unutarnje energije za izvršavanje korisnog rada. Hladnjak oduzima višak energije.

Glavna karakteristika učinkovitosti je učinkovitost toplinskih strojeva. Ova vrijednost pokazuje koliko se energije potrošeno za grijanje troši na izvršenje korisnog rada. Što je veća učinkovitost, to je bolja izvedba stroja, ali ta vrijednost ne može prelaziti 100%.

Izračun učinkovitosti

Neka grijač dobije izvan energije jednaku Q_1. Radno tijelo je radilo A, a energija koja se daje hladnjaku bila je Q_2.

Na temelju definicije, izračunajte vrijednost učinkovitosti:

eta- = A / Q₁. Uzimamo u obzir da je A = Q₁ - P_2.

Stoga je učinkovitost toplinskog stroja, čija formula ima formu eta- = (Q₁ - P₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁ omogućuje nam da izvučemo sljedeće zaključke:

• Učinkovitost ne može prijeći 1 (ili 100%);
• Kako bi se povećala ta vrijednost, potrebno je povećanje energije dobivene od grijalice ili smanjenje energije koja se daje hladnjaku;
• Povećanje energije grijača postiže se mijenjanjem kakvoće goriva;
• Smanjenje energije koja se daje hladnjaku omogućava postizanje dizajnerskih značajki motora.

Idealni toplinski motor

Je li moguće stvoriti takav motor, čija učinkovitost bi bila maksimalna (idealno - jednaka 100%)? Francuski teorijski fizičar i talentirani inženjer Sadi Carnot pokušali su pronaći odgovor na ovo pitanje. Godine 1824. objavljeni su teorijski prikazi procesa koji se odvijaju u plinovima.

Glavna ideja ugrađena u idealni stroj može se smatrati provođenjem reverzibilnih procesa s idealnim plinom. Počinjemo s ekspanzijom plina izotermno na temperaturi T₁. Količina potrebne topline za to je Q_1. nakonplin bez razmjene topline se širi (postupak je adijabatski). Nakon što je postignut temperaturu T₂, Plin se izotermno komprimira, prenoseći energiju Q₂. Plin se vraća u svoj izvorni status adiabatski.

Učinkovitost idealnog Carnotovog toplinskog motora za točan izračun jednaka je omjeru razlike temperature između uređaja za grijanje i hlađenje na temperaturu koju grijač ima. Izgleda ovako: eta = (T₁ - T₂) / T_1.

Moguća učinkovitost toplinskog stroja, čija je formula: eta- = 1- T₂/ T₁, ovisi samo o vrijednostima temperature grijača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.

Osim toga, ovaj odnos omogućuje nam da dokažemo da učinkovitost toplinskih strojeva može biti jednaka jedinstvu samo kada je hladnjak apsolutna nula temperature. Kao što znate, ta je vrijednost nedostižna.

Teorijski izračuni tvrtke Carnot omogućuju nam da odredimo maksimalnu učinkovitost toplinskog stroja bilo kojeg dizajna.

Teorem koji dokazuje Carnot glasi kako slijedi. Neovisno toplinski stroj pod bilo kojim uvjetima ne može imati veću učinkovitost od idealnog toplinskog motora.

Primjer rješavanja problema

Primjer 1. Kakva je učinkovitost idealnog toplinskog stroja, u slučaju da temperatura grijalice iznosi 800^okoS, i temperatura hladnjaka na 500^okoOdozdo?

T₁= 800^okoC = 1073 K, ΔT = 500^okoC = 500 K, eta- -

rješenje:

Po definiciji: eta = (T₁ - T₂) / T_1.

Ne dajemo temperaturu hladnjaka, ali ΔT = (T₁ - T₂), odavde:

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

Odgovor: Učinkovitost = 46%.

Primjer 2. Odredite učinkovitost idealnog toplinskog motora, ako je po trošku kupljenog kilograma energije grijača izrađen koristan rad od 650 J. Koja je temperatura grijača topline, ako je temperatura hladnjaka 400 K?

P₁ = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T₂ = 400 K, eta-P, T₁ =?

rješenje:

U ovom se problemu radi o toplinskoj instalaciji čija se učinkovitost može izračunati iz formule:

eta- = A / Q_1.

Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za učinkovitost idealnog toplinskog motora:

eta- = (T₁ - T₂) / T₁ = 1- T₂/ T_1.

Izvođenje matematičkih transformacija dobivamo:

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.

Stvarni uvjeti

Idealni toplinski motor dizajniran je uzimajući u obzir idealne procese. Rad se obavlja samo u izotermnim procesima, njegova se veličina definira kao područje ograničeno grafikom Carnotovog ciklusa.

Zapravo, nemoguće je stvoriti uvjete za proces promjene stanja plina bez pratećih promjena temperature. Ne postoji takav materijal koji bi isključio izmjenu topline sa okolnim objektima. Adijabatski proces postaje nemoguć. U slučaju izmjene topline, nužno se mijenja temperatura plina.

Učinkovitost toplinskih strojeva stvorenih u stvarnim uvjetima značajno se razlikuje od učinkovitosti idealnih motora. Napominjemo da se procesi u realnim motorima pojavljuju toliko brzo da varijacija unutarnje toplinske energije radne tvari tijekom procesa promjene volumena ne može nadoknaditi priliv topline iz grijalice i povratak u hladnjak.

Ostali toplinski motori

Stvarni motori rade na drugim ciklusima:

• Otto ciklus: proces nepromijenjenog volumena varira adiabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
• Dizelski ciklus: izobar, adiabat, izochor, adiabat;
• plinska turbina: proces koji se pojavljuje pri stalnom pritisku zamjenjuje adiabatskim postupkom, zatvara ciklus.

Stvaranje ravnotežnih procesa u stvarnim motorima (kako bi ih se približilo idealnim) u uvjetima suvremene tehnologije nije moguće. Učinkovitost toplinskih strojeva je znatno niža, čak i uzimajući u obzir iste temperature kao u idealnoj instalaciji topline.

Ali ne smanjujte ulogu dizajnerske formule za učinkovitost Carnotov ciklus, jer postaje referentna točka u procesu rada na povećanju učinkovitosti stvarnih motora.

Načini promjene učinkovitosti

Usporedbom idealnih i realnih toplinskih motora valja napomenuti da temperatura hladnjaka ne može biti. Obično se hladnjak smatra atmosferom. Prihvatite temperaturu atmosfere može biti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tekućine je ispušnih plinova u motorima, kako se događa u motorima s unutarnjim izgaranjem (skraćeno DVS).

ICE je najčešći toplinski stroj u našem svijetu. Učinkovitost toplinskog motora u ovom slučaju ovisi o temperaturi koju stvara gorivo gorivo. Značajna razlika između ICE i parnih motora je spajanje funkcija grijača i radnog tijela uređaja u smjesi zraka i goriva. Spaljivanje, smjesa stvara pritisak na pokretne dijelove motora.

Povećava se temperatura radnih plinova, značajno mijenja svojstva goriva. Nažalost, nemoguće je to učiniti neograničeno. Svaki materijal iz kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima točku topljenja. Toplinska otpornost takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i mogućnost značajnog utjecaja na učinkovitost.

Vrijednosti učinkovitosti motora

Ako uzmemo u obzir parna turbina, radna temperatura pare na ulazu jednaka je 800 K, a ispušni plin - 300 K, tada je učinkovitost ovog stroja 62%. U stvarnosti, ta vrijednost ne prelazi 40%. Takvo smanjenje nastaje zbog toplinskih gubitaka kada se grijača turbina zagrije.

Najveća vrijednost učinkovitosti motora s unutarnjim izgaranjem ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti je stvar bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva - to je problem kojim se najbolje umovi čovječanstva rade.