Effektiviteten i värmemotorer. Effektiviteten hos en värmemotor - Formel

Moderna verklighet kräver värmemotorer bred operation. Ett flertal försök att ersätta dem med elmotorer under pågående misslyckande. De problem som är förknippade med ansamling av makt i autonoma system, löses med stor svårighet.

Fortfarande är relevant av tillverkningsproblem Batterier teknik som bygger på deras långtidsanvändning. Hastighets egenskaper elfordon är långt ifrån dem i bilar, förbränningsmotorer.

De första stegen i skapandet av hybridmotorer kan avsevärt minska de skadliga utsläppen i storstadsområdena, lösa miljöproblem.

En liten historia

Möjligheten att omvandlingen av energi av ånga till kinetisk energi har varit känd sedan urminnes tider. 130 BC: Filosof Geron Aleksandriysky presenteras för publiken ånga leksaken - eolipil. Sphere fylld med ånga kom i rotation under påverkan härrör från hennes jets. Denna prototyp av den moderna ångturbinen vid tidpunkten för ansökan inte hittas.

Under många år och talsfilosofen utveckling ansågs bara en rolig leksak. Under 1629 skapade italienska D. Branca en proaktiv turbin. Par i rörelse skivan försedd med blad.

Från den stunden började den snabba utvecklingen av ångmaskiner.

värmemotor

Omvandlingen av den inre energin av bränslet in i rörelseenergi av maskindelar och mekanismer som används i värmemotorer.

Huvuddelar av maskiner: en värmare (system som tar emot energi från utsidan), arbetskroppen (utför en gynnsam effekt), kylskåp.

Värmaren är avsedd för drivmedlet att samla tillräckligt med lager av den inre energi för nyttigt arbete. Kylskåp tar bort överskottsenergi.

Det viktigaste kännetecknet för effektivitet kallas effektiviteten hos värmemotorer. Denna mängd visar vilken del av energi som förbrukas i uppvärmning av spenderas för att utföra nyttigt arbete. Ju högre effektivitet, den fördelaktiga driften av maskinen, men detta värde får inte överstiga 100%.

Beräkning av effektivitet

Låt värmare externt förvärvade energi lika med _{1 Q.} Verktyg kropp engagerade arbete A, medan den energi som ges kylskåp var Q _2.

Baserat på bestämningen beräknar vi effektiviteten värde:

η = A / Q _1. Vi antar att A = Q ₁ - Q _2.

Därmed effektiviteten i värmemotorn, är formeln för vilka ges av η = (Q ₁ - Q ₂₎ / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q _1, medger följande slutsatser:

• Effektivitet kan inte överstiga 1 (eller 100%);
• för att maximera denna mängd måste öka i antingen den energi som erhålls från en varmare, eller en minskning av energi given kyl;
• ökning av uppvärmningseffekten uppnå en förändring av bränslekvalitet;
• minska energiförbrukningen, ger kylskåpet, låt uppnå design av motorerna.

En idealisk värmemotor

Är skapandet av en sådan motor är möjligt, effektiviteten hos vilket skulle vara den maximala (i en idealisk - lika med 100%)? Hitta svaret på denna fråga försökte fransk fysiker och en begåvad ingenjör Sadi Carnot. I 1824 hans teoretiska beräkningar om de processer som sker i gaserna släpptes.

Den grundläggande idén förkroppsligas i det ideala maskinen kan anses genomföra reversibel process med ideal gas. Börjar med expansion av gasen isotermiskt vid temperatur T _1. Den mängd värme som krävs för detta ändamål, - Q _1. Efter gas utan expanderande värme (en adiabatisk process). Efter att ha nått temperaturen T _2, är den gas som komprimeras isotermiskt genom passage kylskåpet energi Q _2. gas återgå till sitt ursprungliga tillstånd utförs adiabatiskt.

Effektiviteten av en ideal Carnot värmemotor med den exakta beräkningen är förhållandet mellan temperaturskillnaden mellan värme- och kylanordning till en temperatur, som har en varmare. Det ser ut så här: η = (T ₁ - T ₂₎ / T _1.

Möjlig termisk effektivitet hos maskinen, vilken formel har formen: η = 1 - T ₂ / T _1, endast beror på värdet av värmare och svalare temperaturer och kan inte vara större än 100%.

Dessutom möjliggör detta förhållande en att bevisa att effektiviteten i värmemotorer kan vara lika med ett endast när kylskåpet absoluta nolltemperaturen. Som bekant är detta värde ouppnåeligt.

Teoretiska beräkningar Carnot gör det möjligt att bestämma den maximala verkningsgraden för en värmemotor av någon design.

Beprövad Carnot teorem är som följer. Godtyckliga värmemotor under inga omständigheter som kan ha verkningsgrad högre än samma värden på en ideal värme motorns verkningsgrad.

Ett exempel på problemlösning

EXEMPEL 1. Vad effektiviteten av en ideal värmemaskin, när värmaren temperaturen är 800 C och ^temperaturen i kylskåpet 500 ^C under?

T ₁ = 800 ^{° C} = 1073 K, AT = 500 ^{° C} = 500 K, η -?

lösning:

Per definition: η = (T ₁ - T ₂₎ / T _1.

Vi fick inte temperaturen i kylskåpet, men AT = (T ₁ - T _2), därav:

η = AT / T ₁ = 500 K / 1073K = 0,46.

Svar: verkningsgrad = 46%.

Exempel 2. Bestäm effektiviteten av en ideal värmemotor, om på grund av den energi som förvärvat en kilojoule värmare utföras användbart arbete 650 J. Vad är temperaturen av värmaren i värmemotorn om kylmedelstemperaturen -. 400 K?

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

lösning:

I denna uppgift, är det en termisk anläggning, vars effektivitet kan beräknas genom formeln:

η = A / Q _1.

Att bestämma temperaturen hos värmaren med hjälp av formeln effektiviteten av en ideal värmemaskin:

η = (T ₁ - T ₂₎ / T ₁ = 1 - T ₂ / T _1.

Utföra matematiska transformationer, får vi:

T ₁ = T ₂ / (1-η).

T ₁ = T ₂ / (1- A / Q _1).

Vi beräknar:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

Svar: η = 65%, T ₁ = 1142,8 K.

faktiska förhållandena

En idealisk värmemotor utformad med de idealiska processer. Arbetet utförs endast i isotermiska processer, det definieras som det område som begränsas av grafen av Carnot-cykeln.

I själva verket, för att skapa förutsättningar för gasflödet status förändringar i processen, utan åtföljande förändringar i temperatur kan inte vara. Inga sådana material, vilket skulle utesluta värmeväxlingen med omgivande föremål. Adiabatisk process blir omöjlig att genomföra. I fallet med temperaturvärmeväxlingsgasen måste nödvändigtvis förändras.

Effektiviteten av termiska maskiner som skapats under verkliga förhållanden skiljer sig signifikant från den idealiska effektiviteten av motorer. Notera att flödet av processer i verkliga motorer händer så snabbt att variationen av den inre värmeenergi av arbetsmaterialet i processen för att ändra dess volym inte kan kompenseras genom inflödet av värme kvantitet av en varmare och en kylare avkastning.

Andra värmemotorer

Verkliga motorer verka på olika cykler:

• Otto cykel med konstant volym process med adiabatisk förändring, vilket skapar en sluten slinga;
• Dieselcykel isobar, adiabatisk, isochore, adiabatisk;
• en gasturbin: processen sker vid konstant tryck, adiabatisk ersättas sluter slingan.

Skapa en jämviktsprocesser i verkliga motorer (för att föra dem närmare den ideala) i modern teknik är inte möjlig. Effektiviteten av värmemotorer är betydligt lägre, även med samma temperaturförhållanden som i det ideala värmefixering.

Men det är inte nödvändigt att minska den roll beräkningsformeln effektivitet av Carnot-cykeln, som den är, blir det en referens punkt i processen för att förbättra effektiviteten i verkliga motorer.

Sätt att ändra effektiviteten

Genom jämförelse av ideal och faktiska värmemotorer, bör det noteras att den sista temperaturen i kylskåpet inte kan vara godtyckligt. Vanligtvis kylskåp tror atmosfären. För att ta temperaturen på atmosfären kan endast ungefärliga beräkningar. Erfarenheten visar att kylmedelstemperaturen är avgasen i motorer, som det händer i förbränningsmotorer (förkortade som DVS).

DIC - den vanligaste i vår värld av värmemotor. Effektivitet värmemotor i detta fall beror på den temperatur som skapas genom förbränning av bränsle. Den väsentliga skillnaden från DIC ångmaskiner är fusionsuppvärmningsfunktioner och manöveranordningskroppen i en luft-bränsleblandning. Brinnande blandningen skapar ett tryck på de rörliga delar i motorn.

Höja arbetsgasen temperaturen uppnås, avsevärt förändra egenskaperna hos bränslet. Tyvärr är det omöjligt att göra utan gräns. Något material för konstruktion av motorns förbränningskammare har sin smältpunkt. Den termiska beständigheten hos sådana material - den grundläggande egenskap hos motorn, såväl som för att signifikant påverka effektiviteten.

Värden motoreffektivitet

Om vi betraktar den ångturbinen, temperaturen hos arbets ånginloppet som är lika med 800 K, och avgasen - 300 K, är effektiviteten hos maskinen är lika med 62%. Men i verkligheten, detta värde inte överstiger 40%. Denna reduktion sker på grund av värmeförlust under uppvärmning turbinhuset.

Det högsta värdet på effektiviteten hos förbränningsmotorer inte överstiger 44%. Öka detta värde - frågan om en snar framtid. Ändra egenskaper hos material, bränsle - detta är ett problem över vilket utnyttjar de bästa hjärnorna av mänskligheten.