КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя - формула определения. Тепловая эффективность двигателя


КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших затратах топлива давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое КПД (коэффициент полезного действия), необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая тепловую энергию в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

КПД теплового двигателя (формула)

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q1. При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q2<Q1.

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q1 Q2)/ Q1, где Q1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |QH| |QX|, где А — работа, QH — количество теплоты, получаемое от нагревателя, QX — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

КПД теплового двигателя (формула):

|QH| |QX|)/|QH| = 1 |QX|/|QH|

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется по следующей формуле:

(Тн Тх)/ Тн = Тх Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

• Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2 и 4 тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

• Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

• Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

• Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

• Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель (газовая турбина), на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

• Ракетные, турбореактивные и реактивные двигатели, которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

• Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких либо ограничений. Это возможно из за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

autogear.ru

Принцип действия тепловых машин. Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей.

Под действием сил трения и сопротивления механическая энергия переходит во внутреннюю. А возможен ли обрат­ный переход, при котором внутренняя энергия превращалась бы в механическую или позволяла бы совершать меха­ническую работу? Оказывается, возможен. Для этого ис­пользуются так называемые тепловые машины (двигатели), совершающие механическую работу за счет внутренней энергии системы. Тепловые двигатели позволяют использовать огромные запасы внутренней энергии различных энергоносителей (топли­ва) для нужд цивилизации.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя 1, рабочего тела 2 (газ или пар) и холодильника 3. Нагреватель (теплоотдатчик) передает рабочему телу тепловой машины энергию в виде тепла. Холодильник (теплоприемник) забирает от рабочего тела неизрасходованную часть тепловой энергии. Чаще всего в качестве холодильника используется окружающая среда. Система, которая обме­нивается энергией (теплотой) с внешней средой или другими системами и совершает рабо­ту, называется рабочим телом (веществом).

Работа любой тепловой машины состоит из повторяющихся циклических или круговых процессов (циклов). Циклическим или круговым процессом называется такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Каждый цикл включает в себя:

1) получение рабочим телом энергии от нагревателя;

2) расширение рабочего тела и совершение им работы;

3) передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение в исходное состояние.

Рассмотренный круговой процесс представляет собой схему работы любой тепловой машины, преобразующей тепло в работу. Газ получает от нагревателя количество теплоты

ΔQ1 часть его ΔQ2 отдает холодильнику. Так как рабочее тело вернулось в исходное состояние, то его внутренняя энергия не изменилась. Согласно первому началу термодинамики разность полученного и отданного количества теплоты (ΔQ = ΔQ1 — ΔQ2) и есть совершенная работа (ΔQ = A).

Коэффициент полезного действия (КПД)тепловой машины определяют как отношение совершенной машиной работы А к количеству тепла ΔQ1, полученному от нагревателя:

КПД характеризует степень преобразования внутренней энергии в механическую в данном тепловом двигателе. Другими словами, это эффективность работы тепловой машины, выра­женная количественно.

С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин исторически связано открытие второго начала тер­модинамики, которое определяет принцип действия тепло­вых машин. В 1850 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус дал следующую формулировку второго начала термо­динамики:

невозможен такой процесс, при котором теплота самопро­извольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

В 1851 г. Томсон предложил свою формулировку второго начала термодинамики:

невозможно построить такую циклически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы толь­ко к совершению механической работы и соответствующему охлаждению нагревателя.

Формулировки Клаузиуса и Томсона эквивалентны, т. е. сле­дуют одна из другой. В настоящее время второе начало термоди­намики формулируют следующим образом:

в природе невозможен такой циклический процесс, единст­венным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от нагревателя или окружающей среды, в работу.

Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса, т. е. нециклический процесс, в ходе которо­го все количество подведенной извне теплоты преобразуется в работу, в природе существовать может. Для примера вспом­ним изотермическое расширение идеального газа, при котором вся подводимая теплота переходит в работу газа. Однако, как только необходимо будет повторить этот процесс вновь, потребу­ется вернуть газ в начальное состояние. Для того чтобы газ сжать, нужно либо совершить работу над ним, либо его просто охладить. И если первое условие нас не удовлетворяет, ибо необходимо создать машину, которая сама совершает работу, то второй способ подходит вполне. Но охлаждение газа не может произойти само по себе. Лишнюю теплоту нужно передать какой-либо системе. А это означает, что система, получив тепло­ту, или нагреется, или сама совершит работу, или произойдет одновременно и то, и другое. В любом случае состояние системы изменится. О чем, собственно, и идет речь во втором начале термодинамики.

Поскольку всю полученную теплоту рабочее тело не может преобразовать в работу, то какое-то количество теплоты оно будет «терять», т. е. отдавать холодильнику. Это означает, что КПД тепловой машины никогда не может быть равным единице. Таким образом, второе начало термодинамики ставит непреодо­лимое препятствие перед любым желающим сконструировать вечный двигатель второго рода, в котором должен быть достиг­нут КПД, равный единице, т. е. все подводимое тепло переходи­ло бы в работу. Отметим, что нарушения первого начала термо­динамики при этом не наступало бы — такие вечные двигатели «разрешены» первым началом термодинамики.

Итак, краткая формулировка второго начала термодина­мики:

нельзя построить вечный двигатель второго рода.

 

Билет 21

cyberpedia.su

Тепловой двигатель

Термодинамика возникла как наука, основной задачей которой было создание наиболее эффективных тепловых машин.

Обычно в тепловом двигателе механическая работа совершается газом при его расширении. При этом газ в тепловом двигателе называют рабочим телом. Очень часто в качестве рабочего тела выступают воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления. Устройство, от которого рабочее тело получает тепло ($Q_n$), называют нагревателем. Таким образом, рабочее тело сначала расширяется от объема $V_1\ $до объема $V_2$ ${(V}_2>V_1)$, а затем сжимается до первоначального объема. Для того, чтобы работа, которая совершается за цикл, была больше нуля, давление и температура при расширении должны быть больше, чем при сжатии. Следовательно, рабочему телу при расширении теплоту сообщают, а при сжатии забирают. Значит, помимо нагревателя в тепловом двигателе присутствует еще и холодильник, которому рабочее тело тепло отдает. Рабочее тело совершает круговой процесс. Очевидно, что в этом процессе изменение внутренней энергии газа в двигателе равно нулю. Если в ходе расширения от нагревателя к рабочему телу передано $Q_n$- теплоты, при сжатии ${Q'}_{ch}$ теплоты рабочее тело передало холодильнику, исходя из первого начала термодинамики и учитывая, что $\triangle U=0$, получаем, что работа газа в круговом процессе равна:

\[A=Q_n-{Q'}_{ch}\ \left(1\right).\]

Теплота ${Q'}_{ch}\ne 0$. Понятно, что чем лучше тепловой двигатель превращает теплоту, полученную от нагревателя в работу, тем такой двигатель выгоднее. Эффективность теплового двигателя характеризуют с помощью коэффициента полезного действия (КПД), который определен как:

\[\eta =\frac{A}{Q_n}\left(2\right).\]

Уравнение (2), если учесть (1), можно записать в виде:

\[\eta =\frac{Q_n-{Q'}_{ch}}{Q_n}\left(3\right).\]

КПД всегда $\eta

Машина, которая отбирает от тела с меньшей температурой некоторое количество теплоты $Q_{ch}$ и отдает телу с более высокой температурой количество тепла $Q_n'$, причем $Q_n'>Q_{ch}$, называется холодильной машиной. Над такой машиной должен быть совершена за цикл работа A'. Эффективность холодильной машины характеризуется ее холодильным коэффициентом (a), который вычисляется как:

\[a=\frac{Q_n'}{A'}=\frac{Q_n'}{Q'_n-Q_{ch}}\left(4\right).\]

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем того, который работает по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французский инженер Саади Карно установил важную зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя ($T_n$) и холодильника ($T_{ch}$). Независимо от конструкции теплового двигателя и выбора рабочего тела КПД идеальной тепловой машины определяется уравнением:

\[{\eta }_{max}=\frac{T_n-T_{ch}}{T_n}\left(5\right).\]

Любой реальный тепловой двигатель может иметь КПД $\eta \le {\eta }_{max}$.

Идеальная машина, которую придумал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм (1-2, 4-3) и двух адиабат (2-3, 4-1) (рис.1). Рабочим телом в данном случае является идеальный газ. Мы помним, что адиабатный процесс идет без подвода и отвода тепла.

Рис. 1

На участке 1-2 рабочее тело получает от нагревателя с температурой $T_n$ количество тепла $Q_n$. В случае изотермического процесса мы можем записать, что:

\[Q_n=T_n\left(S_2-S_1\right)\left(6\right),\]

где $S_1,\ S_2$- энтропии в соответствующих точках цикла на рис.1.

На участке 3-4 идеальный газ отдает тепло холодильнику с температурой $T_{ch}$, при этом количество теплоты, что эквивалентно получению газом теплоты ${-Q}_{ch}$, соответственно:

\[{-Q}_{ch}=T_{ch}\left(S_1-S_2\right)\left(7\right).\]

В скобках выражения (7) указано приращение энтропии в процессе 3-4.

Подставим формулы (6), (7) в определение КПД теплового двигателя, получим:

\[\eta =\frac{T_n\left(S_2-S_1\right)+T_{ch}\left(S_1-S_2\right)}{T_n\left(S_2-S_1\right)}=\frac{T_n-T_{ch}}{T_n}\left(8\right).\]

И в нашем выводе уравнения (8) не делалось никаких предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

Уравнение (8) показывает, что для повышения КПД необходимо повышать $T_n$ и понижать $T_{ch}.$ Но так как абсолютный ноль недостижим, то единственный путь увеличить КПД теплового двигателя, увеличивать $T_n$.

Задача по созданию теплового двигателя, который совершал бы работу без холодильника, кажется весьма интересной. В физике такая машина называется вечным двигателем второго рода. Она в принципе не противоречит первому закону термодинамики. Однако эта проблема также неразрешима, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике принят как постулат -- второе начало термодинамики.

Пример 2

Задание: Найти КПД цикла, который представлен на рис. 2, если в пределах цикла объем идеального газа изменяется в n раз. Рабочим веществом является газ с показателем адиабаты $\gamma$.

Рис. 2

В качестве основания для расчета КПД используем формулу:

\[\eta =\frac{Q_n-{Q'}_{ch}}{Q_n}\left(2.1\right).\]

Процесс, в котором газ получает тепло -- это процесс 1-2 ($Q_{12}=Q_n$):

\[Q_{12}=\triangle U_{12}+A_{12}\left(2.2\right),\]

где $A_{12}=0$ так как это изохорный процесс. Следовательно:

\[Q_{12}=\triangle U_{12}=\frac{i}{2}\nu R\left(T_2-T_1\right)\left(2.3\right).\]

Процесс, в котором газ тепло отдает -- это процесс 3-4 изохорный, (${{-Q}}_{34}={Q'}_{ch}$). Следовательно:

\[Q_{34}=\triangle U_{34}=\frac{i}{2}\nu R\left(T_4-T_3\right)\left(2.4\right).\]

Адиабатные процессы идут без подвода и отвода тепла.

Подставим полученные количества теплоты в выражение для КПД, имеем:

\[\eta =\frac{\frac{i}{2}\nu R\left(T_2-T_1\right)+\frac{i}{2}\nu R\left(T_4-T_3\right)}{\frac{i}{2}\nu R\left(T_2-T_1\right)}=\frac{T_2-T_1+T_4-T_3}{T_2-T_1}=1-\frac{T_3-T_4}{T_2-T_1}\ \left(2.5\right).\]

Используем уравнение для адиабаты для процесса 2-3:

\[T_2V^{\gamma -1}_1=T_3V^{\gamma -1}_2\to T_2=T_3\frac{V^{\gamma -1}_2}{V^{\gamma -1}_1}=T_3n^{\gamma -1}\left(2.6\right).\]

Используем уравнение для адиабаты для процесса 4-1:

\[T_1V^{\gamma -1}_1=T_1V^{\gamma -1}_2\to T_1=T_4\frac{V^{\gamma -1}_2}{V^{\gamma -1}_1}=T_4n^{\gamma -1}\left(2.7\right).\]

Найдем разность температур $T_2-T_1$:

\[T_2-T_1=\left({T_3-T}_4\right)n^{г-1}\left(2.8\right).\]

Подставим в (2.5) разность температур из (2.8), получим:

\[\eta =1-\frac{T_3-T_4}{\left({T_3-T}_4\right)n^{\gamma -1}}=1-\frac{1}{n^{\gamma -1}}=1-n^{1-\gamma }\left(2.9\right).\]

Ответ: КПД цикла $\eta =1-n^{1-г}$.

spravochnick.ru

КПД теплового двигателя и формулы для вычисления

Издревле люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т.д. Начиная, с 18 века начали появляться машины, преобразовывающие внутреннею энергию топлива в работу. Подобные машины работали, благодаря тепловым двигателям.

Тепловой двигатель – прибор, преобразующий тепловую энергию в механическую работу, за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.

Любые тепловые двигатели имеют составные части:

  • Нагревательный элемент. Тело с высокой температурой относительно окружающей среды.
  • Рабочее тело. Поскольку работу обеспечивает расширение, данный элемент должен хорошо расширяться. Как правило, используется газ или пар.
  • Охладитель. Тело с низкой температурой.

Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В следствии, оно начинает расширяться и совершать работу. Чтобы система могла вновь совершить работу, её нужно вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть излишняя тепловая энергия, как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в изначальное состояние, далее процесс повторяется снова.

Вычисление КПД

Для расчета КПД, введем следующие обозначения:

Q1–Количество теплоты получаемое от нагревательного элемента

A’– Работа совершаемая рабочим телом

Q2–Количество теплоты полученной рабочим телом от охладителя

В процессе охлаждения, тело передает теплоту, поэтому Q2< 0.

Работа такого устройства это циклический процесс. Это означает, что после совершения полного цикла, внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда, по первому закону термодинамики, работа совершаемая рабочим телом будет равна, разности количества теплоты полученного от нагревателя и теплоты полученного от охладителя:

Q2 – отрицательная величина, поэтому она берется по модулю

КПД выражается как отношение полезной работы к полной работе, которая выполнила система. В данном случае, полная работа будет равно количеству теплоты, которое израсходовано на нагревание рабочего тела.  Вся затраченная энергия выражается через Q1.

Поэтому коэффициент полезного действия определяется как:

Преобразовав равенство выше, можно вывести формулу КДП любого теплового двигателя:

fizikatyt.ru

Тепловая эффективность • ru.knowledgr.com

В термодинамике тепловая эффективность является безразмерным критерием качества работы устройства, которое использует тепловую энергию, такую как двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина или паровой двигатель, котел, печь или холодильник, например. Другими словами, эффективность указывает, как хорошо энергетическое преобразование или процесс переноса достигнуты.

Обзор

В целом энергетическая конверсионная эффективность - отношение между полезной продукцией устройства и входом в энергетических терминах. Для тепловой эффективности вход, к устройству является высокой температурой или теплосодержанием топлива, которое потребляется. Желаемая продукция - механическая работа, или высокая температура, или возможно оба. Поскольку у входной высокой температуры обычно есть реальная финансовая стоимость, незабываемое, универсальное определение тепловой эффективности -

:

Из первого закона термодинамики энергетическая продукция не может превысить вход, таким образом

,

:

Когда выражено как процент, тепловая эффективность должна быть между 0% и 100%. Эффективность, как правило - меньше чем 100%, потому что есть неэффективность, такая как трение и тепловая потеря, которые преобразовывают энергию в альтернативные формы. Например, типичный автомобильный двигатель бензина работает в пределах 25%-й эффективности, и большая питаемая углем электрическая генераторная установка достигает максимума приблизительно в 46%. Самый большой дизельный двигатель в мире достигает максимума в 51,7%. На заводе с комбинированным циклом тепловые полезные действия приближаются к 60%. Такая реальная стоимость может использоваться в качестве показателя качества для устройства.

Для двигателей, где топливо сожжено, есть два типа тепловой эффективности: обозначенная тепловая эффективность и тормозит тепловую эффективность. Эта эффективность только соответствующая, сравнивая подобные типы или подобные устройства.

Для других систем варьируются специфические особенности вычислений эффективности, но не размерный вход - все еще то же самое. Эффективность = энергия Продукции / входная энергия

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели преобразовывают тепловую энергию или высокую температуру, Q в механическую энергию или работу, W. Они не могут сделать этой задачи отлично, таким образом, часть входной тепловой энергии не преобразована в работу, но рассеяна как отбросное тепло Q в окружающую среду

:

Тепловая эффективность теплового двигателя - процент тепловой энергии, которая преобразована в работу. Тепловая эффективность определена как

:

Эффективность даже лучших тепловых двигателей низкая; обычно ниже 50% и часто далеко ниже. Таким образом, энергия, потерянная окружающей среде тепловыми двигателями, является основной тратой энергетических ресурсов, хотя современная когенерация, комбинированный цикл и энергетические схемы переработки начинают использовать эту высокую температуру для других целей. Так как большая фракция топлива произвела, во всем мире идут в двигающиеся на большой скорости тепловые двигатели, возможно до половины полезной энергии произвела, во всем мире потрачен впустую в неэффективности двигателя. Эта неэффективность может быть приписана трем причинам. Есть полный теоретический предел эффективности любого теплового двигателя из-за температуры, названной эффективностью Карно. Во-вторых, у определенных типов двигателей есть нижние пределы на их эффективности из-за врожденной необратимости цикла двигателя, который они используют. В-третьих, неидеальное поведение реальных двигателей, таких как механическое трение и потери в процессе сгорания вызывает дальнейшие потери эффективности.

Эффективность Карно

Второй закон термодинамики помещает фундаментальный предел на тепловую эффективность всех тепловых двигателей. Даже идеальный, лишенный трения двигатель не может преобразовать в какой-либо степени 100% своей входной высокой температуры в работу. Ограничивающие факторы - температура, при которой высокая температура входит в двигатель, и температуру окружающей среды, в которую двигатель исчерпывает свое отбросное тепло, измеренный в абсолютной шкале, такой как масштаб Келвина или Рэнкайна. От теоремы Карно, для любого двигателя, работающего между этими двумя температурами:

:

Это предельное значение называют эффективностью цикла Карно, потому что это - эффективность недосягаемого, идеального, обратимого цикла двигателя, названного циклом Карно. Никакая высокая температура преобразования устройства в механическую энергию, независимо от ее строительства, не может превысить эту эффективность.

Примерами является температура горячего пара, входящего в турбину завода энергии пара или температуру, при которой топливо горит в двигателе внутреннего сгорания. обычно температура окружающей среды, где двигатель расположен, или температура озера или реки, в которую освобождено от обязательств отбросное тепло. Например, если автомобильный двигатель жжет бензин при температуре, и температура окружающей среды, то ее максимальная возможная эффективность:

:

Можно заметить, что с тех пор фиксирован окружающей средой, единственный способ для проектировщика увеличить эффективность Карно двигателя состоит в том, чтобы увеличиться, температура, при которой высокая температура добавлена к двигателю. Эффективность обычных тепловых двигателей также обычно увеличивается с рабочей температурой и продвинула структурные материалы, которые позволяют двигателям работать при более высоких температурах, активная область исследования.

Из-за других причин, детализированных ниже, у практических двигателей есть полезные действия далеко ниже предела Карно. Например, средний автомобильный двигатель меньше чем на 35% эффективен.

Теорема Карно относится к термодинамическим циклам, где тепловая энергия преобразована в механическую работу. Устройства, которые преобразовывают химическую энергию топлива непосредственно в электрическую работу, такую как топливные элементы, могут превысить эффективность Карно.

Эффективность цикла двигателя

Цикл Карно обратим и таким образом представляет верхний предел на эффективности цикла двигателя. Практические циклы двигателя необратимы и таким образом имеют неотъемлемо более низкую эффективность, чем эффективность Карно, когда управляется между теми же самыми температурами и. Один из факторов, определяющих эффективность, - то, как высокая температура добавлена к рабочей жидкости в цикле, и как это удалено. Цикл Карно достигает максимальной производительности, потому что вся высокая температура добавлена к рабочей жидкости при максимальной температуре и удалена при минимальной температуре. Напротив, в двигателе внутреннего сгорания температура смеси топливного воздуха в цилиндре нигде не около его пиковой температуры, поскольку топливо начинает гореть, и только достигает пиковой температуры, поскольку все топливо потребляется, таким образом, средняя температура, при которой добавлена высокая температура, ниже, уменьшая эффективность.

Важный параметр в эффективности двигателей внутреннего сгорания - определенное тепловое отношение смеси воздушного топлива, γ. Это варьируется несколько с топливом, но обычно близко к воздушной ценности 1,4. Эта стандартная стоимость обычно используется в уравнениях цикла двигателя ниже, и когда это приближение сделано, цикл называют стандартным воздухом циклом.

  • Цикл Отто: автомобили цикл Отто - название цикла, используемого в двигателях внутреннего сгорания воспламенения искры, таких как бензин и водород, заправили автомобильные двигатели. Его теоретическая эффективность зависит от степени сжатия r двигателя и определенного теплового отношения γ газа в камере сгорания.

:

:Thus, эффективность увеличивается со степенью сжатия. Однако, степень сжатия двигателей цикла Отто ограничена потребностью предотвратить безудержное сгорание, известное как удар. У современных двигателей есть степени сжатия в диапазоне 8 - 11, приводя к идеальным полезным действиям цикла 56% к 61%.

  • Дизельный цикл: грузовики и поезда В Дизельном цикле, используемом в дизельных двигателях грузовика и поезда, топливо зажжено сжатием в цилиндре. Эффективность Дизельного цикла зависит от r и γ как цикл Отто, и также отношением сокращения, r, который является отношением цилиндрического объема вначале и конца процесса сгорания:

:

Цикл Дизеля:The менее эффективен, чем цикл Отто, используя ту же самую степень сжатия. Однако практические Дизельные двигатели на 30% - 35% более эффективны, чем бензиновые двигатели. Это вызвано тем, что, так как топливо не введено камере сгорания, пока это не требуется для воспламенения, степень сжатия не ограничена потребностью избежать стучать, поэтому более высокие отношения используются, чем в двигателях воспламенения искры.

  • Цикл Rankine: заводы энергии пара цикл Rankine являются циклом, используемым в паровых турбинных электростанциях. Подавляющее большинство электроэнергии в мире произведено с этим циклом. Так как рабочая жидкость цикла, вода, изменяется от жидкости до пара и назад во время цикла, их полезные действия зависят от термодинамических свойств воды. Тепловая эффективность современных паровых заводов по производству турбин с подогревает циклы, может достигнуть 47%, и на заводах с комбинированным циклом, на которых паровая турбина приведена в действие выхлопной высокой температурой от газовой турбины, это может приблизиться к 60%.
  • Цикл Брайтона: газовые турбины и реактивные двигатели Цикл Брайтона являются циклом, используемым в газовых турбинах и реактивных двигателях. Это состоит из компрессора, который увеличивает давление поступающего воздуха, тогда топливо непрерывно добавляется к потоку и сжигается, и горячие выхлопные газы расширены в турбине. Эффективность зависит в основном от отношения давления в камере сгорания p к давлению снаружи p

:

Другая неэффективность

Вышеупомянутые формулы эффективности основаны на простых идеализированных математических моделях двигателей без трения и рабочих жидкостей, которые соблюдают простые термодинамические правила, названные идеальным газовым законом. У реальных двигателей есть много отклонений от идеального поведения, которые тратят впустую энергию, уменьшая фактические полезные действия далеко ниже теоретических значений, данных выше. Примеры:

  • трение движущихся частей
  • неэффективное сгорание
  • тепловая потеря от камеры сгорания
  • отъезд рабочей жидкости от термодинамических свойств идеального газа
  • аэродинамическое сопротивление воздуха, перемещающегося через двигатель
  • энергия, используемая вспомогательным оборудованием как нефть и вода, качает
  • неэффективные компрессоры и турбины
  • несовершенный клапан, рассчитывающий

Другой источник неэффективности - то, что двигатели должны быть оптимизированы для других целей помимо эффективности, таких как низкое загрязнение. Требования для двигателей транспортного средства особенно строгие: они должны быть разработаны для низкой эмиссии, соответствующего ускорения, быстро старта, легкого веса, низкого шума, и т.д. Они требуют компромиссов в дизайне (таких как измененный выбор времени клапана, чтобы сократить выбросы), которые уменьшают эффективность. Средний автомобильный двигатель только на приблизительно 35% эффективен, и должен также быть сохранен, не работая в стоп-сигналах, тратя впустую дополнительные 17% энергии, приведя к полной эффективности 18%. У больших постоянных электрических генераторных установок есть меньше этих конкурирующих требований, а также более эффективных циклов Rankine, таким образом, они значительно более эффективны, чем двигатели транспортного средства, приблизительно 50% Поэтому, заменяя внутренние транспортные средства сгорания электромобилями, которые бегут на батарее, которая обвинена в электричестве, произведенном горящим топливом в электростанции, имеет теоретический потенциал, чтобы увеличить тепловую эффективность использования энергии в транспортировке, таким образом уменьшая спрос на ископаемое топливо.

Сравнивая различные тепловые двигатели как источники власти, такие как электроэнергия или власть управлять транспортными средствами, одна только эффективность двигателя является только одним фактором. Чтобы дать значащее сравнение, полную эффективность всей цепи энергоснабжения от топливного источника до потребителя нужно рассмотреть. Хотя высокая температура, потраченная впустую тепловыми двигателями, обычно является крупнейшим источником неэффективности, факторы, такие как затраты энергии топливной очистки и транспортировки и энергетической потери в электрических линиях передачи, чтобы транспортировать его, могут возместить преимущество более эффективного теплового двигателя.

Энергетическое преобразование

Для устройства, которое преобразовывает энергию из другой формы в тепловую энергию (такую как электронагреватель, котел или печь), тепловая эффективность -

:

где количества - тепловые эквивалентные стоимости.

Так, для котла, который производит 210 кВт (или 700 000 БТЕ/ч) продукция для каждого 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ/ч) эквивалентный высокой температуре вход, его тепловая эффективность - 210/300 = 0.70, или 70%. Это означает, что 30% энергии потеряны окружающей среде.

У

электрического нагревателя сопротивления есть тепловая эффективность близко к 100%. Сравнивая нагревающиеся единицы, такие как очень эффективный электрический нагреватель сопротивления к 80%-й эффективной питаемой природным газом печи, экономический анализ необходим, чтобы определить самый рентабельный выбор.

Эффекты топливной теплоты сгорания

Теплота сгорания топлива - количество тепла, выпущенное во время экзотермической реакции (например, сгорание), и является особенностью каждого вещества. Это измерено в единицах энергии за единицу вещества, обычно масса, таких как: kJ/kg, J/mol.

Теплота сгорания для топлива выражена как HHV, LHV или GHV, чтобы отличить рассмотрение высокой температуры фазовых переходов:

  • Высшая теплота сгорания (HHV) определена, возвратив все продукты сгорания к оригинальной температуре перед сгоранием, и в особенности уплотнив любой произведенный пар. Это совпадает с термодинамической высокой температурой сгорания.
  • Более низкая теплота сгорания (LHV) (или низшая теплота сгорания) определена, вычтя высокую температуру испарения водного пара от высшей теплоты сгорания. Энергия, требуемая выпаривать воду поэтому, не понята как высокая температура.
  • Высшая теплота сгорания составляет воду в выхлопе, уезжая как пар и включает жидкую воду в топливо до сгорания. Эта стоимость важна для топлива как древесина или уголь, который будет обычно содержать некоторое количество воды до горения.

Какое определение теплоты сгорания используется, значительно затрагивает любую указанную эффективность. Заявление, является ли эффективность HHV или LHV, отдает такие очень вводящие в заблуждение числа.

Тепловые насосы и холодильники

Тепловые насосы, холодильники и работа использования кондиционеров, чтобы переместить высокую температуру от более холодного до более теплого места, таким образом, их функция - противоположность теплового двигателя. Энергия работы (W), который применен к ним, преобразована в высокую температуру, и сумма этой энергии и тепловой энергии, которая перемещена от холодного водохранилища (Q), равна полной тепловой энергии, добавленной к горячему водохранилищу (Q)

:

Их эффективность измерена коэффициентом работы (COP). Тепловые насосы измерены эффективностью, с которой они добавляют высокую температуру к горячему водохранилищу, ПОЛИЦЕЙСКОМУ; холодильники и кондиционеры эффективностью, с которой они удаляют высокую температуру из холодного интерьера, ПОЛИЦЕЙСКОГО:

:

:

Причина того, что не был использован термин 'эффективность' состоит в том, что коэффициент работы может часто быть больше, чем 100%. Так как эти устройства перемещают высокую температуру, не создавая его, количество тепла, которое они перемещают, может быть больше, чем входная работа. Поэтому, тепловые насосы могут быть более эффективным способом нагреться, чем простое преобразование входной работы в высокую температуру, как в электронагревателе или печи.

Так как они - тепловые двигатели, эти устройства также ограничены теоремой Карно. Предельное значение Карно 'эффективность' для этих процессов, с равенством, теоретически достижимым только с идеальным 'обратимым' циклом:

:

:

То же самое устройство, используемое между теми же самыми температурами, более эффективно, когда рассмотрено как тепловой насос чем тогда, когда рассмотрено как холодильник:

:

Это вызвано тем, что, нагреваясь, работа раньше бежала, устройство преобразовано в высокую температуру и добавляет к желаемому эффекту, тогда как, если желаемый эффект охлаждается, высокая температура, следующая из входной работы, является просто нежелательным побочным продуктом.

Эффективность использования энергии

'Тепловую эффективность' иногда называют эффективностью использования энергии. В Соединенных Штатах в повседневном использовании ПРОВИДЕЦ - более общая мера эффективности использования энергии для охлаждения устройств, а также для тепловых насосов когда в их согревающем способе. Для согревающих устройств энергетического преобразования их пиковая установившаяся тепловая эффективность часто заявляется, например, 'эта печь на 90% эффективна', но более подробная мера сезонной энергетической эффективности - Annual Fuel Utilization Efficiency (AFUE).

Эффективность использования энергии теплообменников

Встречный теплообменник потока на обычно 100% эффективен в передаче тепловой энергии от одной схемы до другого, хотя в небольшой потере в температуре. Однако для более полной картины эффективности теплообменника, exergetic соображения должен быть принят во внимание.

См. также

  • Электрическая эффективность
  • Механическая эффективность
  • Тепловой двигатель
  • Показатель качества
  • Высокая температура сгорания
  • Более низкая теплота сгорания
  • Относительная стоимость электричества, произведенного другими источниками
  • Высшая теплота сгорания
  • Энергетическая конверсионная эффективность

ru.knowledgr.com

Эффективность тепловых двигателей

­Полученные выше результаты имеют особое значение для преобразования солнечной энергии. Если считать, что температура естественных охладителей в тропических областях не может быть ниже 290 К (17°С), то полученную из уравнения температурную зависимость максимального к. п. д. теплового двигателя для определенного интервала изменения температуры источника можно представить в виде кривых. Сплошная кривая показывает изменение к. п. д. идеального двигателя. Мы видим, что и этот двигатель не совершенен: максимальное значение его к. п. д. не превышает 70% даже в том случае, когда он изготовлен из материала, позволяющего работать при температурах около 1000 К. Однако на практике при самом тщательном исполнении невозможно даже представить механический двигатель, к. п. д. которого превышал бы две трети от к. п. д. цикла Карно. Обратимым является такой цикл, при протекании которого в обратном направлении и рабочее вещество, и среда в любой его точке занимают те же положения, что и в прямом цикле. При обратном цикле направления передачи механической и тепловой энергии противоположны их направлениям в прямом цикле. При этом может использоваться даже медная труба для кондиционеров, так как температура перемещаемой среды несущественно высока. В дальнейшем мы еще вернемся к рассмотрению циклов обратимых машин.

Однако наш простой цикл нельзя считать обратимым. Термодинамический цикл условно представляют в виде диаграммы, построенной в системе координат, где по осям отложены давление газа и занимаемый им объем. (Напомним, что для идеального газа эти величины определяют также его температуру.) Если в исходной точке к машине подвести тепловую энергию, давление сначала возрастет, а затем при выдвижении поршня, совершающего работу, уменьшится. При передаче тепла охладителю давление упадет, а восстановление его до первоначальной величины возможно путем сжатия. Теперь если цикл начать с выдвижения поршня, то вместо прежнего сжатия газа произойдет его расширение, то есть цикл пойдет в обратном направлении. Уже на этой стадии работы появляются определенные затруднения, однако здесь мы их опустим,, чтобы подойти к главному препятствию. При тех же положениях машины, что и в исходном цикле, невозможно преодолеть препятствия. Суть этих препятствий состоит в том, что тепловую энергию нельзя отобрать у охладителя (или передать источнику) в условиях, когда рабочее вещество теплее охладителя и холоднее источника. ­

platka.ru

Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. Охрана окружающей среды

Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель, совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Необратимость тепловых процессов.

Второй закон термодинамики.

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых процессах остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны.

Закон сохранения энергии не запрещает, процессы, которые на опыте не происходят:

- нагревание более нагретого тела более холодным;

- самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;

- собирание песка в камень и т.д.

Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут.

Все процессы в природе необратимы ( старение и смерть организмов).

Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Самопроизвольными называются такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел, а значит, без изменений в этих телах.

Процессы перехода системы из одного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний, называются обратимыми .

При этом сама система и окружающие тела полностью возвращаются к исходному состоянию.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу называют тепловыми двигателями
На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.  
Хронология изобретений: 1690 - пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) 1698 - пароатмосферная машина Т.Севери (Англия) 1705 - пароатмосферная машина Т.Ньюкомена (Англия) 1763 - паровая машина И.Ползунова (Россия) 1774 - паровая машина Д.Уатта (Англия) 1860 - двигатель внутреннего сгорания Ленуара (Франция) 1865 - двигатель внутреннего сгорания Н.Отто (Германия) 1871 - холодильная машина К.Линде (Германия) 1887 - паровая турбина К.Лаваля (Швеция) 1897 - двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (Германия)
Круговой (циклический) процесс - если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл. А1а2>А1б2 - по модулю (из сравнения площадей). А1а2>0 А1б2<0 Суммарная работа за циклический процесс численно равна площади, ограниченной линией процесса. Из второго з-на термодинамики: ни один тепловой двигатель не может иметь кпд равный единице (100%). , где А - работа двигателя за цикл, Q - количество теплоты, полученное двигателем за цикл.
Принцип работы теплового двигателя: Q = A' + ΔU - количество теплоты, переданное системе расходуется на совершение этой системой механической работы и на увеличение ее внутренней энергии (т.е. система должно отдать тепло в окружающее пространство) - 1-й з-н термодинамики. Q = A' + ΔU
Нагреватель передает тепло рабочему телу при температуре Т1. Рабочее тело совершает полезную механическую работу A'. Холодильник (охладитель) получает часть тепла, обеспечивая циклический процесс. A' = Q1 - Q2Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
Кпд реальных двигателей: турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%, дизельный - 35-45%. 0 - 1 - впуск горючей смеси (изобара) 1 - 2 - сжатие (адиабата) 2 - загорание горючей смеси 2 -3 -резкое возрастание давления (изохора) 3 -4 - рабочий ход (адиабата) 4 - 0 - выпуск
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815). Машина работает на идеальном газе. 1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически. 2 - 3 - газ расширяется адиабатно. После контакта с холодильником: 3 - 4 - изотермическое сжатие; 4 - 1 - адиабатное сжатие.
КПД идеальной машины: η является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива.  
Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.  
Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу наз. холодильной машиной.  
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Неуклонный рост энергетических мощностей приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы. Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту. Альтернативные двигатели: · 1. Электрические · 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра    

Раздел 3. Электродинамика

studlib.info