Что такое эффективность теплового двигателя

§ 5.11. Тепловые двигатели (окончание)

КПД теплового двигателя

где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у двигателей внутреннего сгорания — сами продукты сгорания топлива.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η 10 кВт. Когда эта мощность достигнет 3 • 10 12 кВт, то средняя температура атмосферы Земли повысится примерно на 1 °С. Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц — сажи, пепла, измельченного топлива. Они изменяют оптические свойства атмосферы, соотношение между поглощенной и отраженной солнечной энергией, увеличивают «парниковый эффект», обусловленный повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Углекислый газ задерживает тепловое излучение Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения: оксиды серы, азота, металлов, угарный газ (СО), канцерогенные вещества — продукты неполного сгорания органических топлив — 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. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобильных двигателей на сжиженный газ в качестве топлива. Обсуждается возможность применения в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода.

Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, экономия ее на производстве и в быту. Нельзя оставлять невыключенными электроприборы, допускать бесполезные потери топлива при обогревании помещений. Примером нерационального использования энергии служат попытки введения в эксплуатацию гражданских сверхзвуковых самолетов, потребляющих в 8 раз больше топлива, чем обычные.

Решение перечисленных проблем жизненно важно для человека. Организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей: 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.

Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.

T1 – температура нагревателя;

T2 –температура холодильника;

Q1 – теплота, полученная

Q2 – теплота, отданная

A’ – работа, выполненная

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклических процессов – циклов. Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: .

Французский инженер Сади Карно рассмотрел идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно. КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре и холодильником при температуре : . Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.

КПД тепловых двигателей невысок, поэтому важнейшей технической задачей является его повышение. Тепловые двигатели имеют два существенных недостатка. Во-первых, в большинстве тепловых двигателей используется органическое топливо, добыча которого быстро истощает ресурсы планеты. Во-вторых, в результате сгорания топлива в окружающую среду выбрасывается огромное количество вредных веществ, что создает значительные экологические проблемы.

С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин связано открытие в 1850 г. немецким физиком Р. Клазиусом второго начала термодинамики: невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

Физические величины и их единицы измерения:

Наименование величина Обозначение Единица измерения Формула
Относительная молекулярная масса Mr (эм эр) безразмерная величина
Масса одной молекулы (атома) m кг
Масса m кг
Молярная масса M
Количество вещества ν (ню) моль (моль) ;
Число частиц N (эн) безразмерная величина
Давление p (пэ) Па (паскаль)
Концентрация n (эн)
Объём V (вэ)
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы Дж (джоуль)
Температура по шкале Цельсия t °C
Температура по шкале Кельвина T К (кельвин)
Средняя квадратичная скорость молекул
Поверхностное натяжение σ (сигма)
Абсолютная влажность ρ (ро)
Относительная влажность φ (фи) %
Внутренняя энергия U (у) Дж (джоуль)
Работа А (а) Дж (джоуль)
Количество теплоты Q (ку) Дж (джоуль)
Читать еще:  Шаговый двигатель работает рывками

Физические постоянные:

Атомная единица массы 1а.е.м.=1,6606∙10 -27 кг.

Масса молекулы углерода mc = 1,995∙10 -26 кг.

Число Авогадро NA=6,02∙10 23 моль -1

Постоянная Больцмана k=1,38∙10 -23 .

Универсальная газовая постоянная R=8,31

1. Развина Т. И. и др. Физика для школьника и абитуриента. – Минск: Сэр-Вит, 2009. – 296 с.

2. Жилко В. В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения – Мн.: Нар. асвета, 2002. – 282 с.: ил.

3. Жилко В. В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летним сроком обучения – 2-ое изд., исправленное. – Минск.: Нар. асвета, 2008. – 359 с.: ил.

4. Буров Л. И., Стрельченя В. М. Физика от А до Я. – Мн.: Парадокс, 2000. — 560с.

ФИЗИКА. Учебное пособие для учащихся.

Часть 1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.

Составитель: Зинковский В. Н. — преподаватель физики УО «Жлобинский ГПТК»

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

КПД двигателя автомобиля.

Тепловая эффективность двигателя. Не такая страшная физика.

Обычно, если кто-то слышит слоган «тепловая эффективность двигателя», они сразу же меняют тему. Вы можете говорить о двигателях об их мощности, об их расходе топлива или — вызывая уважение собеседников как эксперта — о рабочих системах, таких как Дизель, Отто, Ванкель и Аткинсон. Но термическая эффективность звучит как домашняя работа по физике, то есть вызывает отвращение и негативные реакции. Между тем все это сливается в одно .

КПД двигателя — обозначается латинским символом η (eta) — это параметр, который характеризует данный двигатель и означает, сколько подаваемого тепла преобразуется в полезную работу. В случае двигателя внутреннего сгорания это преобразование тепловой энергии, возникающей в результате сгорания топлива, в механическую энергию, выделяемую двигателем в результате вращения коленчатого вала.

Значения этой эффективности различны для разных типов двигателей и, например, для двигателей с искровым зажиганием составляют около 0,30–0,36, а для дизельных двигателей — около 0,40–0,45. Это означает не что иное, как то, что при заливке в бак 50 литров топлива только 15-18 литров бензина и 20-22,5 литра дизельного топлива используются для привода компонентов автомобиля. Остальное безвозвратно потеряно.

От чего зависит тепловая эффективность?

Вообще говоря, это «использование тепловой энергии» возникает из-за разницы между температурой воспламенения смеси и температурой выхлопного газа, выходящего из цилиндра. Чем больше разница, тем больше тепла превращается в работу.

Здесь, к сожалению, мы должны помнить несколько принципов в физике / механике. Поршень, двигаясь к головке, сжимает топливовоздушную смесь (бензиновые версии) или воздух (дизель), и после воспламенения / взрыва отработавший газ расширяется точно по тому же пути, что и ранее сжатая топливно-воздушная смесь, или — в дизеле — сжатый воздух. Это означает, что чем больше сжатая среда, тем больше она расширяется после взрыва, и чем больше она расширяется, тем больше будет работать поршень, а выхлопные газы будут охлаждаться.

В качестве примера, стоит упомянуть, что температура сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания превышает 2000 градусов по Цельсию, температура выхлопных газов в бензиновых двигателях (где степень сжатия обычно составляет около 9-11: 1) составляет около 550 — 700 градусов по Цельсию, а в случае версии Дизель (где степень сжатия составляет более 20: 1) температура выхлопных газов составляет около 400 С.

Следовательно, следует отметить, что для того, чтобы отметить более высокий тепловой КПД в бензиновом двигателе, степень сжатия должна быть увеличена. Тем не менее, проблема заключается в том, что возникает стук, потому что в какой-то момент сжатия температура повышается настолько, что даже до воспламенения — вызванного искрой от свечи — топливо может взорваться, что приводит к нарушению плавности работы двигателя и его неравномерной работе.

Стук также может привести к повреждению двигателя. Оболочки на головке шатуна, а также подшипники коленчатого вала особенно подвержены взрывам топлива. В меньшей степени такое сгорание отрицательно сказывается на клапанах, поршнях или шатунах. Сам феномен детонации зависит от конструкции двигателя и химического состава топлива.

Следовательно, увеличение октанового числа выше 100 (я напоминаю топливо на станциях 95 или 98) может нейтрализовать неблагоприятный стук. Теоретически это возможно, потому что такой бензин в настоящее время включает в Бразилии (добавление этанола) и авиационные двигатели также нуждались в более высоком октановом значении.

Однако в ведущих исследовательских лабораториях также начались исследования по модернизации существующих конструкций двигателей с использованием всех известных технических инноваций. Эффект этих работ, среди прочего Бензиновый двигатель SKYACTIV-G от исследовательских лабораторий Mazda.

Этот бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива использует полный спектр совершенно новых технических решений. Благодаря этому он чрезвычайно прочен и в то же время чрезвычайно эффективен благодаря использованию беспрецедентной степени сжатия. Удалось преодолеть все трудности, которые ранее этому мешали.

Основные характеристики этого двигателя:

очень высокая степень сжатия 14,0: 1, которая была достигнута благодаря специальной системе выпуска, поршневым полостям, новым многоотверстным инжекторам и другим нововведениям для предотвращения неправильного сгорания (детонации);

  • внутреннее трение уменьшено на 30%;
  • регулировка фаз газораспределения во впускных и выпускных клапанах;
  • легкая конструкция — общий вес на 10% ниже.
Читать еще:  Двигатель champion не заводится

В результате этих деталей были получены четырехцилиндровые безнаддувные двигатели с большим рабочим объемом с высоким крутящим моментом (примерно на 15% выше в диапазоне низких и средних оборотов двигателя по сравнению с традиционными версиями), а расход топлива и выбросы CO2 снижены примерно на 15 % по сравнению с бензиновым двигателем аналогичной мощности. Поэтому это альтернатива широко распространенной в настоящее время минимизации двигателя.

Самое главное, что в двигателях SKYACTIV-G у нас нет неблагоприятных вибраций двигателя в диапазоне низких оборотов, нет неблагоприятного увеличения скорости, и мы имеем гораздо более высокую рабочую культуру, чем малые трехцилиндровые соревновательные агрегаты, имеющие аналогичную мощность. Это представлено в таблице, сравнивающей Mazda 2 и Mazda 3 с двигателем SKYACTIV-G и Peugeot с 1,2-цилиндровым двигателем Pure Tech и VW с двигателями 1,0 TSi.

Дизайнеры Toyota пошли несколько другим путем, чтобы повысить тепловой КПД, и они взяли идею английского изобретателя Джеймса Аткинсона. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий ход был длиннее такта сжатия. Благодаря этому, после длительного рабочего цикла, когда начался рабочий ход, давление и температура выхлопных газов были намного ниже, а энергия от расширения использовалась полностью.

Вместо разработки сложных систем толкателя, которые продлили бы рабочий ход, вместо этого использовались «электроника и достижения 21-го века». Благодаря продуманному решению удалось сделать так, что, несмотря на то, что двигатель Toyota поддерживает классическую простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, где при каждом из тактов поршень движется одинаково, эффективный рабочий ход длиннее такта сжатия.

Как говорят конструкторы Toyota, следует сказать иначе: эффективный ход сжатия короче рабочего хода (т. Е. В точности идея двигателя Джеймса Аткинсона). Это достигается путем задержки закрытия всасывающего клапана, который закрывается сразу после начала такта сжатия. Таким образом, часть топливовоздушной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество дымовых газов, образующихся в результате его сгорания, меньше и может полностью расширяться перед началом такта выпуска, передавая всю энергию на поршень, а сжатие меньшего количества смеси требует меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя.

Единственная проблема с двигателем, работающим по системе Аткинсона, заключается в том, что мощность двигателя меньше, чем у традиционной машины. Хотя эта концепция оказалась отличным решением для гибридных автомобилей, в которых нехватка мощности, особенно необходимая для запуска и ускорения, компенсирует электродвигатель по сравнению с классическим двигателем Отто, двигатель Аткинсона явно проигрывает.

Здесь, однако, гений инженера Toyota / Lexus вновь проявил себя. Технические инновации и использование электронного управления открытием клапана позволили использовать обе рабочие системы и создать двигатель с переменной нагрузкой. Когда энергопотребление низкое, например, при спокойной езде по дороге, двигатель работает в цикле Аткинсона, потребляя мало топлива. Однако, когда требуется лучшая производительность — при выключении света или обгоне — он входит в цикл Отто, используя всю доступную динамику. Такой 1,2-литровый двигатель с непосредственным впрыском топлива и турбонаддувом, например, Toyota Auris и городской внедорожник Toyota C-HR. Аналогичный рабочий двухлитровый агрегат используется в Lexus: IS 300, GS 300, NX 300,

Таким образом, тепловая эффективность является основным фактором, влияющим на потребление топлива и использование тепловой энергии, образующейся при сгорании топлива. Важно, что продолжается работа по повышению этой эффективности, то есть по разработке более совершенных двигателей.

Новейшим решением является двигатель INFINITI VC-Turbo (Variable Compression Turbo), который является одним из самых технически совершенных двигателей внутреннего сгорания, когда-либо созданных, и используемая в нем технология VC-Turbo сочетает в себе мощность высокоэффективного 2,0-турбочного бензинового двигателя с крутящим моментом и экономичностью. современный дизельный двигатель, но без выхлопных газов.

Технология Infiniti VC-Turbo имеет возможность непрерывного преобразования, поскольку она использует усовершенствованную многорычажную систему для бесконечного увеличения или уменьшения размера камеры сгорания и сразу же — на основании обнаруженной нагрузки двигателя и команд водителя — выбирает наиболее подходящую степень сжатия. Двигатель способен реализовать любую степень сжатия от 8: 1 до 14: 1.

Развивая максимальную мощность 272 л.с. и 390 Нм крутящего момента, двигатель VC-Turbo сопоставим по производительности с шестицилиндровыми бензиновыми двигателями и определенно более экономичен, чем он.

Будущее?

Мы должны помнить, что разработка новых двигателей не так проста, как создание новых корпусов или компонентов, потому что в этом случае лабораторные испытания имеют колоссальное значение, но можно предположить, что двигатели через дюжину или около того лет будут иметь более высокий тепловой КПД.

Если, только электродвигатели не завоюют рынок, что двигатель внутреннего сгорания отправится в музей, и исследования новых решений перестанут быть экономически жизнеспособными .

Что такое эффективность теплового двигателя

КПД теплового двигателя. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

Читать еще:  Двигатели форд какие объемы

где — теплота, полученная от нагревателя, — теплота, отданная холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы совершаемой двигателем, к количеству теплоты полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то во всех случаях

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Французский инженер и ученый Сади Карно (1796 1832) в труде «Размышление о движущей силе огня» (1824) поставил цель: выяснить, при каких условиях работа теплового двигателя будет наиболее эффективной, т. е. при каких условиях двигатель будет иметь максимальный КПД.

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он вычислил КПД этой машины, работающей с нагревателем температуры и холодильником температуры

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, опираясь на второй закон термодинамики, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры и холодильником температуры не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула (4.18) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю,

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: При этих температурах максимальное значение КПД равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь равно:

Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии в наибольшей степени, по сравнению со

всеми другими видами производственных процессов, связано с воздействием на окружающую среду.

Согласно второму закону термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле. Сейчас потребляемая мощность составляет около 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет то средняя температура повысится заметным образом (примерно на один градус). Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня мирового океана.

Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и т. д. непрерывно выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (СО) и др. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. На атомных электростанциях встает проблема захоронения опасных радиоактивных отходов.

Кроме того, применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде. В 1980 г. в нашей стране для этих целей требовалось около воды, т. е. около 35% водоснабжения всех отраслей хозяйства.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Обсуждается возможность создания электромобилей, способных конкурировать с обычными, и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах, например в двигателях, работающих на смеси водорода с кислородом.

Целесообразно для экономии площади и водных ресурсов сооружать целые комплексы электростанций, в первую очередь атомных, с замкнутым циклом водоснабжения.

Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, борьба за ее экономию.

Решение перечисленных выше проблем жизненно важно для человечества. И эти проблемы с максимальным успехом могут

быть решены в социалистическом обществе с плановым развитием экономики в масштабах страны. Но организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

1. Какие процессы называются необратимыми? 2. Назовите наиболее типичные необратимые процессы. 3. Приведите примеры необратимых процессов, не упомянутых в тексте. 4. Сформулируйте второй закон термодинамики. 5. Если бы реки потекли вспять, означало бы это нарушение закона сохранения энергии? 6. Какое устройство называют тепловым двигателем? 7. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя? 8. Почему в тепловых двигателях нельзя использовать в качестве источника энергии внутреннюю энергию океана? 9. Что называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя?

10. Чему равно максимально возможное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя?

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector