Съвременните реалности предполагат широко използване на топлинни двигатели. Многобройни опити за замяната им с електродвигатели досега се провалиха. Проблемите, свързани с натрупването на електроенергия в автономните системи, се решават с голяма трудност.
Проблемите на технологията за производство на електрически батерии са все още актуални, като се има предвид тяхната дългосрочна употреба. Характеристиките на скоростта на електрическите превозни средства са далеч от тези на автомобилите с двигатели с вътрешно горене.
Първите стъпки към създаването на хибридни двигатели могат значително да намалят вредните емисии в мегаполисите, решавайки екологичните проблеми.
Малко история
Възможността за преобразуване на енергията на парата в енергия на движението е била известна още в древността. 130 г. пр. н. е.: Философът Херон от Александрия представи на публиката парна играчка - еолипил. Сфера, пълна с пара, започна да се върти под действието на струи, излизащи от нея. Този прототип на съвременни парни турбини не е бил използван в онези дни.
В продължение на много години и векове развитието на философа се смяташе просто за забавна играчка. През 1629 г. италианецът Д. Бранчи създава активна турбина. воден парапуснете в движение диск, оборудван с остриета.
От този момент започва бързото развитие на парните машини.
Топлинен двигател
Преобразуването на вътрешната енергия на горивото в енергията на движението на части от машини и механизми се използва в топлинните двигатели.
Основните части на машините: нагревател (система за получаване на енергия отвън), работен флуид (извършва полезно действие), хладилник.
Нагревателят е проектиран да гарантира, че работният флуид е натрупал достатъчен запас от вътрешна енергия за извършване на полезна работа. Хладилникът източва излишната енергия.
Основната характеристика на ефективността се нарича ефективност на топлинните двигатели. Тази стойност показва каква част от енергията, изразходвана за отопление, се изразходва за извършване на полезна работа. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-изгодна е работата на машината, но тази стойност не може да надвишава 100%.
Изчисляване на коефициента на ефективност
Оставете нагревателя да придобие енергия отвън, равна на Q1. Работното тяло работеше A, докато енергията, подадена на хладилника, беше Q2.
Въз основа на дефиницията изчислете ефективността:
η=A / Q1. Помислете, че A=Q1 - Q2.
Оттук и ефективността на топлинната машина, чиято формула е η=(Q1 - Q2)/ Q 1=1 - Q2/ Q1, ни позволява да направим следните заключения:
- Ефективността не може да надвишава 1 (или 100%);
- за да максимизирате тази стойност, трябва и виеувеличете енергията, получена от нагревателя, или намалете енергията, предавана на хладилника;
- увеличаването на енергията на нагревателя се постига чрез промяна на качеството на горивото;
- намаляване на енергията, отдавана на хладилника, позволява да се постигнат конструктивните характеристики на двигателите.
Идеален топлинен двигател
Възможно ли е да се създаде такъв двигател, чиято ефективност би била максимална (в идеалния случай - равна на 100%)? Френският физик-теоретик и талантлив инженер Сади Карно се опита да намери отговора на този въпрос. През 1824 г. неговите теоретични изчисления за процесите, протичащи в газовете, са публикувани.
Основната идея зад идеалната машина е да извършва обратими процеси с идеален газ. Започваме с изотермичното разширение на газа при температура T1. Количеството топлина, необходимо за това е Q1. След газът се разширява без топлообмен (адиабатен процес). При достигане на температура Т2, газът се компресира изотермично, пренасяйки енергия Q2 към хладилника. Връщането на газа в първоначалното му състояние е адиабатно.
Ефективността на идеалния топлинен двигател на Карно, когато е точно изчислена, е равна на съотношението на температурната разлика между отоплителните и охладителните устройства към температурата, която има нагревателя. Изглежда така: η=(T1 - T2)/ T1.
Възможна ефективност на топлинен двигател, чиято формула е: η=1 - Т2/ T 1 , зависи само оттемператури на нагревателя и охладителя и не може да надвишава 100%.
Освен това, това съотношение ни позволява да докажем, че ефективността на топлинните двигатели може да бъде равна на единица само когато хладилникът достигне абсолютна нулева температура. Както знаете, тази стойност е недостижима.
Теоретичните изчисления на Карно позволяват да се определи максималната ефективност на топлинен двигател от всякакъв дизайн.
Теоремата, доказана от Карно, е следната. Един произволен топлинен двигател при никакви обстоятелства не може да има ефективност, по-голяма от същата ефективност на идеалната топлинна машина.
Пример за решаване на проблеми
Пример 1. Каква е ефективността на идеалния топлинен двигател, ако температурата на нагревателя е 800оС, а температурата на хладилника е 500оОтдолу?
T1=800oC=1073 K, ∆T=500o C=500 K, η - ?
Решение:
По дефиниция: η=(T1 - T2)/ T1.
Не ни е дадена температурата на хладилника, но ∆T=(T1 - T2), следователно:
η=∆T / T1=500 K/1073 K=0, 46.
Отговор: Ефективност=46%.
Пример 2. Определете ефективността на идеален топлинен двигател, ако е извършена 650 J полезна работа поради закупения килоджаул нагревателна енергия. Каква е температурата на нагревателя на топлинната машина, ако температурата на охлаждащата течност е 400 K?
Q1 =1 kJ=1000 J, A=650 J, T2=400 K, η - ?, T 1 =?
Решение:
В този проблем говорим за термична инсталация, чиято ефективност може да се изчисли по формулата:
η=A / Q1.
За да определим температурата на нагревателя, ние използваме формулата за ефективността на идеалния топлинен двигател:
η=(T1 - T2)/ T1 =1 - T2/ T1.
След извършване на математически трансформации, получаваме:
T1=T2 /(1- η).
T1=T2 /(1- A / Q1).
Изчисли:
η=650 J/ 1000 J=0,65.
T1=400 K /(1- 650 J/ 1000 J)=1142,8 K.
Отговор: η=65%, T1=1142, 8 K.
Реални условия
Идеалният топлинен двигател е проектиран с мисъл за идеалните процеси. Работата се извършва само при изотермични процеси, нейната стойност се определя като площта, ограничена от графиката на цикъла на Карно.
Всъщност е невъзможно да се създадат условия за процеса на промяна на състоянието на газ без съпътстващи промени в температурата. Няма материали, които да изключват топлообмена с околните предмети. Адиабатният процес вече не е възможен. В случай на пренос на топлина, температурата на газа трябва задължително да се промени.
Ефективността на топлинните двигатели, създадени в реални условия, се различава значително от ефективността на идеалните двигатели. Имайте предвид, че процесите в реалните двигатели са толкова бързи, че вариациятавътрешната топлинна енергия на работното вещество в процеса на промяна на неговия обем не може да бъде компенсирана от притока на топлина от нагревателя и връщането в хладилника.
Други топлинни двигатели
Истинските двигатели работят на различни цикли:
- Цикъл на Ото: процесът при постоянен обем се променя адиабатично, създавайки затворен цикъл;
- Дизелов цикъл: изобар, адиабат, изохора, адиабат;
- газова турбина: процес с постоянно налягане се променя на адиабатичен, затваряйки цикъла.
Не е възможно да се създадат равновесни процеси в реални двигатели (да се доближат до идеалните) в условията на съвременните технологии. Ефективността на термичните двигатели е много по-ниска, дори като се вземат предвид същите температурни условия като при идеална термична инсталация.
Но ролята на формулата за изчисление за ефективността на цикъла на Карно не трябва да се намалява, тъй като именно тази формула се превръща в отправна точка в процеса на работа за повишаване на ефективността на реалните двигатели.
Начини за промяна на ефективността
Когато се сравняват идеални и реални топлинни двигатели, заслужава да се отбележи, че температурата на хладилника на последния не може да бъде никаква. Обикновено атмосферата се счита за хладилник. Температурата на атмосферата може да се вземе само в приблизителни изчисления. Опитът показва, че температурата на охлаждащата течност е равна на температурата на изгорелите газове в двигателите, какъвто е случаят в двигателите с вътрешно горене (накратко ICE).
ICE е най-разпространеният топлинен двигател в нашия свят. топлинна ефективностмашина в този случай зависи от температурата, създадена от горящото гориво. Съществена разлика между двигател с вътрешно горене и парни двигатели е сливането на функциите на нагревателя и работния флуид на устройството в сместа въздух-гориво. Изгаряйки, сместа създава натиск върху движещите се части на двигателя.
Увеличаването на температурата на работните газове се постига чрез значителна промяна на свойствата на горивото. За съжаление, не е възможно това да се прави безкрайно. Всеки материал, от който е направена горивната камера на двигателя, има своя собствена точка на топене. Топлоустойчивостта на такива материали е основна характеристика на двигателя, както и способността да влияят значително на ефективността.
Стойности на ефективността на двигателя
Ако разгледаме парна турбина, температурата на работната пара на входа на която е 800 K, а на отработените газове е 300 K, тогава ефективността на тази машина е 62%. В действителност тази стойност не надвишава 40%. Такова намаление се дължи на топлинните загуби при нагряване на корпуса на турбината.
Най-високата ефективност на двигателите с вътрешно горене не надвишава 44%. Увеличаването на тази стойност е въпрос на близко бъдеще. Промяната на свойствата на материалите, горивата е проблем, върху който работят най-добрите умове на човечеството.
