Термичка ефикасност. Ефикасност на топлински мотор - формула

Современите реалности претпоставуваат широка експлоатација на топлински мотори. Бројни обиди да ги заменат со електрични мотори досега не успеаја. Проблемите поврзани со акумулацијата на електричната енергија во автономни системи, се решаваат со голема тешкотија.

Проблемите на технологијата за производство на електрична енергија батерии се уште се релевантни, земајќи ги во предвид нивната долгорочна употреба. Карактеристиките на брзината на електричните возила се далеку од оние на автомобилите на моторите со внатрешно согорување.

Првите чекори за создавање на хибридни мотори можат значително да ги намалат штетните емисии во мегакомите, решавање на проблемите со животната средина.

Малку историја

Можноста за претворање на енергијата на пареа во енергија на движење е позната во античките времиња. 130 п.н.е. Филозофот Херон од Александрија претставил играчка за пареа - еолипил - на публиката. Сферата, исполнета со пареа, се врти во ротација под дејство на авиони кои произлегуваат од него. Овој прототип на модерни парни турбини во тие денови не најде апликација.

Долгите години и вековите на развојот на филозофот се сметаа за само смешна играчка. Во 1629 година италијанскиот Д. Бранци создал активна турбина. Пареа постави во движење диск опремен со сечила.

Од овој момент се започна со брзиот развој на пареа.

Термичка машина

Трансформацијата на внатрешната енергија на горивото во енергијата на движење на делови од машини и механизми се користи во термо-машини.

Главните делови на машините се грејач (систем за добивање енергија од надвор), работно тело (тоа е корисен ефект), фрижидер.

Грејачот е дизајниран да му овозможи на работното тело да се акумулира доволно снабдување со внатрешна енергија за да изврши корисна работа. Фрижидерот одзема вишок енергија.

Главната карактеристика на ефикасноста е ефикасноста на термичките машини. Оваа вредност покажува колку од потрошената енергија за греење се троши за извршување корисна работа. Колку е поголема ефикасноста, толку е подобри перформансите на машината, но оваа вредност не може да надмине 100%.

Пресметка на ефикасност

Нека грејачот се здобие однадвор од енергијата еднаква на Q _{1 .} Работното тело работи со А, додека енергијата што се дава на фрижидерот беше Q _{2 .}

Врз основа на дефиницијата, пресметајте ја вредноста на ефикасноста:

Η = A / Q ₁ . Земаме предвид дека A = Q ₁ - Q _2.

Оттука, ефикасноста на топлински мотор, чија формула има форма η = (Q ₁ - Q ₂ ) / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q _1, ни овозможува да ги извлечеме следните заклучоци:

• Ефикасноста не може да надмине 1 (или 100%);
• За да се зголеми оваа вредност, потребно е зголемување на енергијата добиена од грејачот или намалување на енергијата што се дава на фрижидерот;
• Зголемете ја енергијата на грејачот за да постигнете промена во квалитетот на горивото;
• Намалување на енергијата што се дава на фрижидерот, овозможува да се постигнат дизајнерски карактеристики на моторите.

Идеален топлински мотор

Дали е можно да се создаде таков мотор, чија ефикасност би била максимална (идеално - еднаква на 100%)? Еден француски теоретски физичар и талентиран инженер Сади Карно се обиде да најде одговор на ова прашање. Во 1824 година, неговите теоретски извештаи за процесите што се одвиваат во гасови беа објавени.

Главната идеја вградена во идеална машина може да се смета за реверзибилни процеси со идеален гас. Започнуваме со ексцентрично проширување на гас на температура Т ₁ . Количината на потребната топлина за ова е Q _1. Потоа Гас без размена на топлина се проширува (адиабатичен процес). Достигнувајќи ја температурата T ₂ , гасот е изотермно компресиран, пренесувајќи ја енергијата Q ₂ во фрижидер. Враќањето на гасот во неговата првобитна состојба се врши адиабативно.

Ефикасноста на идеалниот термички мотор Carnot за точна пресметка е еднаква на односот на температурната разлика помеѓу уредите за греење и ладење на температурата што ја има грејачот. Изгледа вака: η = (T ₁ - T ₂ ) / T _1.

Можната ефикасност на термичка машина, чија формула има форма: η = 1 - T ₂ / T ₁ , зависи само од температурата на грејачот и ладилникот и не може да биде повеќе од 100%.

Покрај тоа, овој однос ни овозможува да докажеме дека ефикасноста на топлинските машини може да биде еднаква на единство само кога фрижидерот достигнува апсолутни нулти температури. Како што знаете, оваа вредност е недостижна.

Теоретски пресметки на Carnot ни овозможуваат да ја одредиме максималната ефикасност на термичка машина од било кој дизајн.

Теоремата докажана од Карно е како што следува. Произволна термичка машина под никакви услови не е способна да има ефикасност поголема од онаа на идеален топлински мотор.

Пример за решавање на проблеми

Пример 1. Која е ефикасноста на идеална термичка машина, ако температурата на грејачот е 800 ^о С, а температурата на ладилникот е 500 ^о С пониска?

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

Решение:

По дефиниција: η = (T ₁ - T ₂ ) / T _1.

Ние не ја даваме температурата на фрижидерот, но ΔT = (T ₁ - T ₂ ), па оттаму:

Η = ΔT / T ₁ = 500 K / 1073 K = 0,46.

Одговор: Ефикасност = 46%.

Пример 2. Одредување на ефикасноста на идеална термичка машина, ако по цена на купениот килоџул од топлинска енергија, се прави корисна работа од 650 J. Која е температурата на грејачот на топлинскиот мотор ако температурата на кулер е 400 K?

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

Решение:

Во овој проблем зборуваме за термичка инсталација, чија ефикасност може да се пресмета од формулата:

Η = A / Q _1.

За да ја одредиме температурата на грејачот, ја користиме формулата за ефикасност на идеална термичка машина:

Η = (Т ₁ - Т ₂ ) / Т ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

Вршење на математички трансформации, добиваме:

T ₁ = T ₂ / (1 - η).

T ₁ = T ₂ / (1-A / Q ₁ ).

Ние пресметуваме:

Η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

Одговорот е: η = 65%, T ₁ = 1142.8 K.

Реални услови

Идеален топлински мотор е дизајниран земајќи ги предвид идеалните процеси. Работата се прави само во изотермални процеси, нејзината големина е дефинирана како област ограничена со графикот на циклусот Карно.

Всушност, невозможно е да се создадат услови за процесот на промена на состојбата на гасот без придружни температурни промени. Нема материјали кои би ја отфрлиле размената на топлина со околните објекти. Адиабатскиот процес е невозможен. Во случај на размена на топлина, температурата на гасот неопходно мора да се промени.

Ефикасноста на термичките машини создадени во реални услови значително се разликуваат од ефикасноста на идеалните мотори. Забележуваме дека процесот во вистински мотори е толку брз што варијацијата на внатрешната топлинска енергија на работната материја за време на процесот на промена на нејзиниот волумен не може да се компензира со приливот на топлина од грејачот и враќањето во фрижидер.

Други термални мотори

Реалните мотори работат на други циклуси:

• Ото циклус: процесот на непроменет волумен варира адиабативно, создавајќи затворен циклус;
• Дизел циклус: изобар, адиабат, изохор, адиабат;
• Гасна турбина: процес кој се одвива при постојан притисок, се заменува со адиабатен процес, го затвора циклусот.

Да се создадат рамнотежа процеси во вистински мотори (со цел да се приближи до идеални) во услови на модерна технологија не е можно. Ефикасноста на термичките машини е многу помала, дури и ако се земат предвид истите температурни услови како и во идеална топлинска инсталација.

Но, не ја намалува улогата на дизајнерската формула за ефикасноста на циклусот Карно, бидејќи станува референтна точка во процесот на работа на зголемување на ефикасноста на вистинските мотори.

Начини на менување на ефикасноста

Правејќи споредба на идеални и вистински термални мотори, вреди да се напомене дека температурата на фрижидерот не може да биде. Обично фрижидер се смета за атмосфера. Температурата на атмосферата може да се прифати само во приближни пресметки. Искуството покажува дека температурата на ладилникот е еднаква на температурата на издувните гасови во моторите, како што е случајот со моторите со внатрешно согорување (скратено на ICE).

ICE е најчестата термичка машина во нашиот свет. Ефикасноста на топлинскиот мотор во овој случај зависи од температурата создадена од горивото за гориво. Значајна разлика помеѓу ICE и пареата е фузија на функциите на грејачот и работното тело на уредот во мешавина на воздух и гориво. Согорување, мешавината создава притисок врз подвижните делови на моторот.

Се зголемуваат температурите на работните гасови, значително се менуваат својствата на горивото. За жал, тоа е невозможно да се направи ова без ограничување. Секој материјал од кој се произведува комората за согорување на моторот има точка на топење. Отпорноста на топлина на овие материјали е главната карактеристика на моторот, како и можноста за значително да влијае на ефикасноста.

Вредности на ефикасноста на моторот

Ако се разгледа парна турбина со температура на влезната температура од 800 K и издувен гас од 300 K, ефикасноста на оваа машина е 62%. Во реалноста, оваа вредност не надминува 40%. Таквото намалување се случува поради топлински загуби кога турбината се загрева.

Највисоката вредност на ефикасноста на моторите со внатрешно согорување не надминува 44%. Зголемувањето на оваа вредност е прашање на блиска иднина. Менувањето на својствата на материјалите, горивата е проблем преку кој работат најдобрите умови на човештвото.