Работата на много видове машини се характеризира с такъв важен показател като ефективността на топлинния двигател. Всяка година инженерите се стремят да създават по-модерно оборудване, което при по-ниски разходи за гориво да даде максимален резултат от използването му.
Устройство за топлинна машина
Преди да разберем какво е ефективност, е необходимо да разберем как работи този механизъм. Без да се познават принципите на неговото действие, е невъзможно да се разбере същността на този индикатор. Топлинният двигател е устройство, което работи чрез използване на вътрешна енергия. Всеки топлинен двигател, който преобразува топлинната енергия в механична, използва топлинното разширение на веществата с повишаване на температурата. При твърдотелните двигатели е възможно не само да се промени обемът на материята, но и формата на тялото. Работата на такъв двигател е подчинена на законите на термодинамиката.
Принцип на действие
За да се разбере как работи топлинният двигател, е необходимо да се разгледат основитенеговите проекти. За работата на устройството са необходими две тела: горещо (нагревател) и студено (хладилник, охладител). Принципът на работа на топлинните двигатели (ефективността на топлинните двигатели) зависи от техния тип. Често кондензаторът за пара действа като хладилник, а всеки вид гориво, което гори в пещта, действа като нагревател. Ефективността на идеалния топлинен двигател се намира по следната формула:
Ефективност=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
В същото време ефективността на истинския двигател никога не може да надвишава стойността, получена съгласно тази формула. Освен това този индикатор никога няма да надвиши горната стойност. За да увеличите ефективността, най-често увеличавайте температурата на нагревателя и намалявайте температурата на хладилника. И двата процеса ще бъдат ограничени от действителните работни условия на оборудването.
Ефективност на топлинния двигател (формула)
По време на работа на топлинен двигател се извършва работа, тъй като газът започва да губи енергия и се охлажда до определена температура. Последният обикновено е с няколко градуса над заобикалящата атмосфера. Това е температурата на хладилника. Такова специално устройство е предназначено за охлаждане с последваща кондензация на отработената пара. Когато има кондензатори, температурата на хладилника понякога е по-ниска от температурата на околната среда.
В топлинен двигател тялото, когато се нагрява и разширява, не е в състояние да даде цялата си вътрешна енергия за извършване на работа. Част от топлината ще се пренесе в хладилника заедно с отработените газове или пара. Тази часттоплинната вътрешна енергия неизбежно се губи. По време на изгарянето на горивото работното тяло получава определено количество топлина Q1 от нагревателя. В същото време той все още върши работа A, по време на която прехвърля част от топлинната енергия към хладилника: Q2<Q1.
EFFICIENCY характеризира ефективността на двигателя в областта на преобразуването и предаването на енергия. Този показател често се измерва като процент. Формула за ефективност:
ηA/Qx100%, където Q е изразходваната енергия, A е полезната работа.
Въз основа на закона за запазване на енергията можем да заключим, че ефективността винаги ще бъде по-малка от единица. С други думи, никога няма да има по-полезна работа от изразходваната за нея енергия.
Ефективността на двигателя е съотношението на полезната работа към енергията, доставяна от нагревателя. Може да се представи като следната формула:
η=(Q1-Q2)/ Q1, където Q 1 - топлина, получена от нагревателя, и Q2 - предадена на хладилника.
Работа на топлинния двигател
Работата, извършена от топлинен двигател, се изчислява по следната формула:
A=|QH| - |QX|, където A е работа, QH е количеството топлина, получено от нагревателя, QX - количеството топлина, отдадено на охладителя.
Ефективност на топлинния двигател (формула):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Равно на съотношението на извършената от двигателя работа към количеството натоплина. Част от топлинната енергия се губи по време на този трансфер.
Carnot двигател
Максималната ефективност на топлинния двигател е отбелязана в устройството на Carnot. Това се дължи на факта, че в тази система зависи само от абсолютната температура на нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). Ефективността на топлинен двигател, работещ съгласно цикъла на Карно, се определя по следната формула:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Законите на термодинамиката ни позволиха да изчислим максималната възможна ефективност. За първи път този показател е изчислен от френския учен и инженер Сади Карно. Той изобретява топлинен двигател, който работи на идеален газ. Работи на цикъл от 2 изотерми и 2 адиабати. Принципът на неговото действие е доста прост: към съда с газ се довежда контакт с нагревател, в резултат на което работният флуид се разширява изотермично. В същото време той функционира и получава определено количество топлина. След като съдът е топлоизолиран. Въпреки това газът продължава да се разширява, но вече адиабатично (без топлообмен с околната среда). По това време температурата му пада до хладилника. В този момент газът е в контакт с хладилника, в резултат на което той му дава известно количество топлина при изометрично компресиране. След това съдът отново е топлоизолиран. В този случай газът се компресира адиабатично до първоначалния си обем и състояние.
Разновидности
В наше време има много видове топлинни двигатели, които работят на различни принципи и на различни горива. Всички те имат собствена ефективност. Те включватследното:
• Двигател с вътрешно горене (бутало), който е механизъм, при който част от химическата енергия на горящото гориво се превръща в механична енергия. Такива устройства могат да бъдат газови и течни. Има 2-тактови и 4-тактови двигатели. Те могат да имат непрекъснат работен цикъл. Според метода на приготвяне на горивна смес, такива двигатели са карбураторни (с външно образуване на смес) и дизелови (с вътрешно). Според видовете енергийни преобразуватели се делят на бутални, реактивни, турбинни, комбинирани. Ефективността на такива машини не надвишава 0,5.
• Двигател на Стърлинг - устройство, при което работният флуид е в затворено пространство. Това е вид двигател с външно горене. Принципът на неговото действие се основава на периодично охлаждане/загряване на тялото с производство на енергия поради промяна в обема му. Това е един от най-ефективните двигатели.
• Турбинен (ротационен) двигател с външно горене на гориво. Такива инсталации най-често се срещат в ТЕЦ.
• Турбината (ротационна) ICE се използва в топлоелектрически централи в пиков режим. Не толкова често, колкото другите.
• Турбовитлов двигател генерира част от тягата, дължаща се на витлото. Останалото идва от изгорелите газове. Конструкцията му е ротационен двигател (газова турбина), на чийто вал е монтирано витло.
Други видове топлинни двигатели
• Ракетни, турбореактивни и реактивни двигатели, които получават тяга от откатотработени газове.
• Твърдотелните двигатели използват твърди вещества като гориво. При работа не се променя обемът му, а формата. Работата на оборудването използва изключително ниска температурна разлика.
Как да подобрим ефективността
Възможно ли е да се увеличи ефективността на топлинния двигател? Отговорът трябва да се търси в термодинамиката. Изучава взаимните трансформации на различните видове енергия. Установено е, че е невъзможно цялата налична топлинна енергия да се преобразува в електрическа, механична и т.н. В същото време преобразуването им в топлинна енергия става без ограничения. Това е възможно поради факта, че естеството на топлинната енергия се основава на неупорядочено (хаотично) движение на частиците.
Колкото повече тялото се нагрява, толкова по-бързо ще се движат молекулите, които го изграждат. Движението на частиците ще стане още по-нестабилно. Наред с това всеки знае, че редът лесно може да се превърне в хаос, който е много труден за подреждане.
