Что является кпд теплового двигателя

>>Физика: Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо еще уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта , тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели . Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.
Принципы действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T 1 температурой нагревателя.»
Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.
Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.11.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 совершает работу A ´ и передает холодильнику количество теплоты Q 2 Q 2

Q 2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2

КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Великобритании и Израиля построили первый квантовый тепловой двигатель, эффективность которого превышает максимальную эффективность классического теплового двигателя. В качестве рабочего тела такого двигателя выступают два когерентных энергетических уровня NV-центра с наименьшей энергией, а в качестве тепловых резервуаров — возбужденные уровни. Работу, совершаемую двигателем, ученые измеряли с помощью микроволновых импульсов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Классический тепловой двигатель превращает тепло в работу, периодически нагревая и охлаждая рабочее тело. В рамках классической термодинамики можно показать, что максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) среди тепловых двигателей обладает двигатель Карно, цикл которого состоит из периодов изотермического и адиабатического расширения и сжатия. На практике эффективность тепловых двигателей, работающих при сравнимых температурах нагревателя и холодильника, значительно ниже, чем у двигателя Карно. В частности, КПД паровых машин примерно в два раза меньше максимального достижимого КПД.

Теоретически эффективность теплового двигателя можно повысить за счет квантовых эффектов, которые не учитывает классическая термодинамика. Первыми такую возможность рассмотрели около шестидесяти лет назад физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), которые связали эффективность трехуровневого мазера с эффективностью цикла Карно. А в 2015 году группа физиков под руководством Раама Уздина (Raam Uzdin) наконец разработала схему квантового двигателя, эффективность которого превышает эффективность цикла Карно. Для этого ученые рассмотрели двигатель, который работает в так называемом режиме малого действия (small-action limit), то есть совершает за цикл работу, малую по сравнению с постоянной Планка. В этом режиме корреляции между энергетическими уровнями двигателя играют важную роль, а потому могут существенно повысить его эффективность. Впрочем, подтвердить это предположение на практике физики не смогли.

Группа ученых под руководством Джеймса Клатцова (James Klatzow) наконец проверила предположение группы Уздина и построила квантовый двигатель, эффективность которого превышает эффективность классического двигателя, работающего в тех же условиях. Чтобы построить такой двигатель, физики использовали NV-центры — точечные дефекты алмаза, которые возникают при замещении атома углерода атомом азота. С одной стороны, такой центр ведет себя как водородоподобный атом; с другой стороны, заселенность его энергетических уровней удобно контролировать и измерять с помощью вспышек лазера. Во внешнем магнитном поле NV-центр можно рассматривать как когерентный магнитный двигатель, в котором два уровня с самой низкой энергией выступают в качестве рабочего тела, а возбужденные уровни моделируют тепловые резервуары с разными температурами. Чтобы связать рабочее тело с тепловыми резервуарами и извлечь из него работу, ученые светили на NV-центр оптическим и микроволновым лазером. Кроме того, ученые контролировали когерентность двух квантовых состояний рабочего тела в начале каждого цикла, изменяя продолжительность «теплового» лазерного импульса.

Читать еще:  Bmw ошибка двигателя троит

Схема эксперимента (a) и фотография установки (b)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

КПД теплового двигателя с формулой

Вы будете перенаправлены на Автор24

Исторически появление термодинамики как науки было связано с практической задачей создания эффективного теплового двигателя (тепловой машины).

Тепловая машина

Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу за счет поступающей к двигателю теплоты. Данная машина является периодической.

Тепловая машина включает в себя следующие обязательные элементы:

  • рабочее тело (обычно газ или пар);
  • нагреватель;
  • холодильник.

Рисунок 1. Цикл работы тепловой машины. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На рис.1 изобразим цикл, по которому может работать тепловая машина. В этом цикле:

  • газ расширяется от объема $V_1$ до объема $V_2$;
  • газ сжимается от объема $V_2$ до объема $V_1$.

Для того чтобы получить работу, которую выполняет газ, большей чем ноль, давление (следовательно, температура) в процессе расширения должно быть больше, чем в процессе сжатия. С этой целью газ в процессе расширения теплоту получает, а при сжатии у рабочего тела тепло отбирают. Отсюда сделает вывод о том, что кроме рабочего тела в тепловом двигателе должны присутствовать еще два внешних тела:

  • нагреватель, отдающий рабочему телу теплоту;
  • холодильник, тело, которое забирает от рабочего тела тепло в ходе сжатия.

После выполнения цикла рабочее тело и все механизмы машины возвращаются в прежнее состояние. Это означает, что изменение внутренней энергии рабочего тела — ноль.

На рис.1 указано, что в процессе расширения рабочее тело получает количество теплоты, равное $Q_1$. В процессе сжатия рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты, равное $Q_2$. Следовательно, за один цикл количество теплоты, полученное рабочим телом равно:

Готовые работы на аналогичную тему

$Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$

Из первого начала термодинамики, учитывая то, что в замкнутом цикле $Delta U=0$, работа, совершаемая рабочим телом равна:

Для организации повторных циклов тепловой машины необходимо, чтобы она часть своей теплоты отдавала холодильнику. Данное требование находится в согласии со вторым началом термодинамики:

Невозможно создать вечный двигатель, который периодически трансформировал полностью теплоту, получаемую от некоего источника полностью в работу.

Так, даже у идеального теплового двигателя количество теплоты, передаваемое холодильнику, не может равняться нулю, существует нижний предел величины $Q_2$.

КПД тепловой машины

Понятно, что насколько эффективно работает тепловая машина, следует оценивать, учитывая полноту превращения теплоты, полученной от нагревателя в работу рабочего тела.

Параметром, который показывает эффективность теплового двигателя, является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД теплового двигателя называют отношение работы, выполняемой рабочим телом ($A$) к количеству теплоты, которое это тело получает от нагревателя ($Q_1$):

Принимая во внимание выражение (2) КПД тепловой машины найдем как:

Соотношение (4) показывает, что КПД не может быть больше единицы.

КПД холодильной машины

Обратим цикл, который отображен на рис. 1.

Обратить цикл – это значит, изменить направление обхода контура.

В результате обращения цикла получим цикл холодильной машины. Эта машина получает от тела с низкой температурой теплоту $Q_2$ и передает ее нагревателю, имеющему более высокую температуру количество теплоты $Q_1$, причем $Q_1>Q_2$. Над рабочим телом совершается работа $A’$ за цикл.

Эффективность нашего холодильника определяется коэффициентом, который вычисляют как:

КПД обратимой и необратимой тепловой машины

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем КПД обратимой машины, при работе машин с одинаковыми нагревателем и холодильником.

Рассмотрим тепловую машину, состоящую из:

  • цилиндрического сосуда, который закрыт поршнем;
  • газа под поршнем;
  • нагревателя;
  • холодильника.
  1. Газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя.
  2. Газ расширяется и толкает поршень, выполняет работу $A_+0$.
  3. Газ сжимают, холодильнику передается теплота $Q_2$.
  4. Работа совершается над рабочим телом $A_-

Работа, которую выполнят рабочее тело за цикл, равна:

Для выполнения условия обратимости процессов их надо проводить очень медленно. Кроме этого необходимо, чтобы отсутствовало трение поршня о стенки сосуда.

Обозначим работу, совершаемую за один цикл обратимым тепловым двигателем как $A_<+0>$.

Выполним тот же цикл с большой скоростью и при наличии трения. Если провести расширение газа быстро, давление его около поршня будет меньше, чем если газ расширяют медленно, поскольку возникающее под поршнем разрежение распространяется на весь объем с конечной скоростью. В этой связи, работа газа в необратимом увеличении объема меньше, чем в обратимом:

Если выполнить сжатие газа быстро давление около поршня больше, чем при медленном сжатии. Значит, величина отрицательной работы рабочего тела в необратимом сжатии больше, чем в обратимом:

Получим, что работа газа в цикле $A$ необратимой машины, вычисляемая по формуле (5), выполняемая за счет теплоты, полученной от нагревателя будет меньше, чем работа, выполненная в цикле обратимым тепловым двигателем:

Читать еще:  Что такое ультразвуковая промывка двигателя

Трение, имеющееся в необратимом тепловом двигателе, ведет к переходу части работы выполненной газом в теплоту, что уменьшает КПД двигателя.

Так, можно сделать вывод о том, что коэффициент полезного действия теплового двигателя обратимой машины больше, чем необратимой.

Тело, с которым обменивается теплом рабочее тело, станем называть тепловым резервуаром.

Обратимая тепловая машина совершает цикл, в котором имеются участки, где рабочее тело совершает обмен теплотой с нагревателем и холодильником. Процесс обмена теплом является обратимым, только если при получении теплоты и возвращении ее при обратном ходе, рабочее тело обладает одной и той же температурой, равной температуре теплового резервуара. Если говорить более точно, то температура тела, которое получает теплоту, должная быть на очень малую величину менее температуры резервуара.

Таким процессом может быть изотермический процесс, который происходит при температуре резервуара.

Для функционирования теплового двигателя у него должно быть два тепловых резервуара (нагреватель и холодильник).

Обратимый цикл, который выполняется в тепловом двигателе рабочим телом, должен быть составлен из двух изотерм (при температурах тепловых резервуаров) и двух адиабат.

Адиабатические процессы происходят без обмена теплом. В адиабатных процессах происходит расширение и сжатие газа (рабочего тела).

Что является кпд теплового двигателя

Проект 37.

Тепловой двигатель с термодинамическим циклом без предварительного сжатия и КПД более 50%.

Велицко В.В.

Все применяемые в настоящее время термодинамические циклы, по которым работают серийно производимые тепловые двигатели, в частности – двигатели внутреннего сгорания (ДВС), требуют предварительного сжатия рабочего тела или горючей смести, перед тем, как к ним будет подведена или выделена из них энергия, в камере сгорания или, например, в паровом котле. Указанный принцип работы тепловых двигателей реализован в двигателях, работающих по таким циклам, как цикл Отто, циклы Дизеля или Тринклера, цикл Брайтона, по которому работают газотурбинные установки (ГТУ), или цикл Ренкина, по которому работают паросиловые установки. Недостатком данных циклов является то, что необходимая максимальная степень расширения продуктов или иного рабочего тела сгорания в процессе совершения работы, требует предварительного повышения давления, т.к. без этого КПД такого двигателя будет сопоставим с КПД двигателя Ленуара, работавшего без предварительного сжатия топливовоздушной смеси.

Данная проблема отчасти нашла решение в т.н. циклах с внутренними охлаждением – циклах Миллера и Аткинсона, степень расширения продуктов сгорания в которых превосходит степень предварительного сжатия топливовоздушной смеси. Однако данные двигатели (поршневые двигатели внутреннего сгорания – ПДВС) так и не смогли решить проблему эффективной теплоутилизации, т.к. отходящие газы ПДВС имеют высокую температуру, составляющую 400°С и более.

Наиболее остро проблема рекуперации энергии стоит в газотурбинных установках, которые, в связи с высокими коэффициентами избытка воздуха, составляющим 3 и более, требуют крайне эффективной утилизации тепла отходящих газов посредством рекуперативного теплообменника на подогрев воздуха за компрессором перед подачей воздуха в камеру сгорания. Это позволяет минимизировать расход горючего в камере сгорания двигателя.

Однако принципиально нерешенной является задача полной утилизации тепла отходящих газов по той причине, что в процессе сжатия как в компрессоре ГТУ, так и в цилиндре ПДВС, воздух нагревается до температуры в сотни градусов, что позволяет даже в противоточном рекуперативном теплообменнике передать свежему рабочему телу незначительную часть тепла отходящих газов. Вследствие этого мощные установки, такие как стационарные ГТУ или ПДВС комплектуются дополнительными паросиловыми ступенями, в которых используются различные теплоносители, начиная с воды и заканчивая фреонами, что позволяет, в соответствии с циклом Карно, снизить температуру отвода тепла вовне, а следовательно – увеличить общий механический КПД энергетического комплекса. Попытки объявить, что существенную роль играет коэффициент полезного использования (КПИ) топлива, составляющий в ДВС, в частности в ГТУ и ПДВС, до 90% и состоящий из механического КПД, составляющего до 40% у ГТУ и до 55% у ПДВС плюс КПД системы теплоутилизации, не обоснованы, т.к. в первую очередь важен именно механический КПД системы.

Например, в условиях России, разница между стоимостью автономно выработанной электроэнергии и теплом составляет порядка десяти крат, тогда как, например, в условиях Евросоюза, указанная разница трѐхкратно выше в пользу электроэнергии. В данной связи видно, что стоимость выработанной тепловой энергии, хотя и необходимо учитывать, но еѐ стоимость не является существенной, а для условий России – и пренебрежимо мала к стоимости выработанной механической мощности или выработанной электроэнергии.

Достигнутый механический КПД в 55% для тепловых двигателей простого цикла, какими являются как ПДВС, так и ГТУ является практически предельным и не может быть существенно улучшен с сохранение существующих термодинамических циклов. Некоторое улучшение КПД, как указано выше, путѐм усложнения эксплуатации и увеличения стоимости основных фондов возможен в бинарном цикле (парогазовый цикл) или в монарном цикле (впрыск воды в продукты сгорания), однако указанные циклы практически неприемлемы для маломощных стационарных и транспортных установок.

Читать еще:  В чем плюсы роторного двигателя

Решение слоившейся тупиковой ситуации с ростом КПД тепловых двигателей лежит в сфере разработки тепловых циклов двигателей, не требующих предварительного сжатия рабочего тела, что позволит эффективно утилизировать, практически все тепло отходящих газов и возвращать его в тепловой двигатель. Для решения данной задачи разработаны тепловые двигатели с конвейерными регенеративными установками, теоретически позволяющие достигать КПД, вплотную приближающийся к КПД цикла Карно для имеющихся условий, что позволяет получать максимальный эксергетический коэффициент. Недостатком предложенных регенеративных циклов является техническая нереализуемость, связанная как со сложностью изготовления, так и с большим числом нерешѐнных проблем, в частности – с невозможностью осуществлять эффективный газообмен в связи с отсутствием предварительного сжатия рабочего тела.

Предложенное решение по созданию бескомпрессионного ДВС представляет собой двигатель, в значительной степени базирующийся на стандартном оборудовании, таком как газовые турбины или модернизированные ПДВС. Принцип работы ДВС базируется на изменении энтальпии рабочего тела при глубокой рекуперации тепла, при которых не требуется предварительное сжатие рабочего тела, что позволяет снять ограничение КПД двигателя, обусловленное высокой температурой рабочего тела за нагнетателем (компрессором).

Предложенный двигатель реализует термодинамический цикл без предварительного сжатия рабочего тела, что позволяет при более высокой удельной массе двигателя, составляющей в зависимости от мощности 25-30 кг/кВт, реализовывать высокую степень рекуперации тепла, позволяющую осуществлять рабочий цикл практически с неизменным КПД более 50% вне зависимости от применяемых видов топлив.

Данная технология, имея высокую степень совместимости с производимым в настоящий момент оборудованием, может быть реализована на ГТУ и паротурбинных (ПТУ) ТЭЦ, что, в зависимости от режимов работы ГТУ и ПТУ установок может позволить получить увеличение механического КПД на 2-4%. Практическое освоение предложенной технологии бескомпрессионных ДВС с применением классических компонентов современных ГТУ и ПТУ может быть реализовано в период 10-15 мес. после начала финансирования

КПД теплового двигателя

Тепловым называется двигатель, выполняющий работу за счет источника тепловой энергии.

Тепловая энергия (Qнагревателя) от источника передается двигателю, при этом часть полученной энергии двигатель тратит на выполнение работы W, неизрасходованная энергия (Qхолодильника) отправляется в холодильник, роль которого может выполнять, например окружающий воздух. Тепловой двигатель может работать только в том случае, если температура холодильника меньше температуры нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно рассчитать по формуле: КПД = W/Qнг.

КПД=1 (100%) в том случае, если вся тепловая энергия превращается в работу. КПД=0 (0%) в том случае, если никакая тепловая энергия не превращается в работу.

КПД реального теплового двигателя лежит в промежутке от 0 до 1, чем выше КПД, тем эффективнее двигатель.

Согласно закону сохранения энергии (первое начало термодинамики), тепловая энергия, попадающая в двигатель, равняется сумме работы, которую выполняет двигатель, и тепловой энергии, отданной в холодильник:

Допустим, двигатель, имеющий КПД=0,8, выполняет работу в 100 Дж. Сколько тепловой энергии он использует, и сколько отводит в холодильник?

Решить поставленную задачу не составляет труда.

Принцип Карно

Любой инженер, занимающийся разработкой теплового двигателя, стремится разработать двигатель с максимально возможным КПД. Идеальный вариант, когда КПД=1, в таком случае вся, полученная двигателем, тепловая энергия использовалась бы на работу, при этом в холодильник не поступало бы ничего. Однако, в реальной жизни осуществить подобное невозможно, поскольку в реальном двигателе некоторая часть энергии расходуется на неизбежные потери в трущихся механизмах.

Если бы инженерам удалось изобрести двигатель, в котором не было бы потерь, то система бы всегда возвращалась в начальное состояние — такой процесс называется обратимым. Все реальные двигатели тратят часть тепловой энергии на преодоление трения, поэтому процессы называются необратимыми.

Одним из первых, кто в 19 веке занялся изучением данной проблемы, был Санди Карно, сформулировавший следующий принцип (принцип Карно): ни один необратимый двигатель не может обладать абсолютным КПД, как обратимый, при этом, все обратимые двигатели, которые работают в промежутке между одинаковыми максимальными и одинаковыми минимальными температурами, имеют один и тот же КПД.

Если на практике изобрести обратимый двигатель невозможно, то никто не мешает изобрасти его «на бумаге». Так и поступил Карно, сформулировавший свои принципы для идеального двигателя (двигателя Карно). Двигатель Карно получает тепловую энергию от нагревателя, который имеет постоянную температуру Tнагревателя. Отработанная тепловая энергия уходит в холодильник с постоянной температурой Тхолодильника.

Поскольку температуры нагревателя и холодильника постоянны, отношение подаваемой и отводимой тепловой энергии будет равно отношению их температур (в Кельвинах):

Учитывая третье начало термодинамики, которое гласит, что температуру абсолютного нуля (Т=0К) достичь невозможно, можно сказать, что невозможно разработать тепловой двигатель с КПД=1, поскольку всегда Tх>0.

КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию 🙂 Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector