ККД цеплавых машын. ККД цеплавой машыны - формула

Сучасныя рэаліі мяркуюць шырокую эксплуатацыю цеплавых рухавікоў. Шматлікія спробы замены іх на электрарухавікі пакуль перажываюць няўдачу. Праблемы, звязаныя з назапашваннем электраэнергіі ў аўтаномных сістэмах, вырашаюцца з вялікай працай.

Ўсё яшчэ актуальныя праблемы тэхналогіі вырабу акумулятараў электраэнергіі з улікам іх працяглага выкарыстання. Хуткасныя характарыстыкі электрамабіляў далёкія ад такіх у аўто на рухавіках унутранага згарання.

Першыя крокі па стварэнні гібрыдных рухавікоў дазваляюць істотна паменшыць шкодныя выкіды ў мегаполісах, вырашаючы экалагічныя праблемы.

трохі гісторыі

Магчымасць ператварэння энергіі пара ў энергію руху была вядомая яшчэ ў старажытнасці. 130 год да нашай эры: Філосаф Герон Александрыйскі прадставіў на суд гледачоў паравую цацку - эолипил. Сфера, запоўненая парай, прыходзіла ў кручэнне пад дзеяннем выходных з яе бруй. Гэты прататып сучасных паравых турбін ў тыя часы не знайшоў прымянення.

Доўгія гады і стагоддзі распрацоўкі філосафа лічыліся толькі пацешнай цацкай. У 1629 годзе італьянец Д. Бранка стварыў актыўную турбіну. Пар прыводзіў у рух дыск, забяспечаны лапаткамі.

З гэтага моманту пачалося бурнае развіццё паравых машын.

цеплавая машына

Ператварэнне ўнутранай энергіі паліва ў энергію руху частак машын і механізмаў выкарыстоўваецца ў цеплавых машынах.

Асноўныя часткі машын: награвальнік (сістэма атрымання энергіі звонку), рабочае цела (здзяйсняе карыснае дзеянне), халадзільнік.

Награвальнік прызначаны для таго, каб рабочае цела назапасіла дастатковы запас ўнутранай энергіі для здзяйснення карыснай працы. Халадзільнік адводзіць лішкі энергіі.

Асноўнай характарыстыкай эфектыўнасці называюць ККД цеплавых машын. Гэтая велічыня паказвае, якая частка выдаткаванай на награванне энергіі выдаткоўваецца на здзяйсненне карыснай працы. Чым вышэй ККД, тым больш выгадна праца машыны, але гэта велічыня не можа перавышаць 100%.

Разлік каэфіцыента карыснага дзеяння

Хай награвальнік набыў звонку энергію, роўную Q _1. Рабочае цела зрабіла працу A, пры гэтым энергія, аддадзеная халадзільніка, склала Q _2.

Зыходзячы з вызначэння, разлічым велічыню ККД:

η = A / Q _1. Улічым, што А = Q ₁ - Q _2.

Адсюль ККД цеплавой машыны, формула якога мае выгляд η = (Q ₁ - Q ₂₎ / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q _1, дазваляе зрабіць наступныя высновы:

• ККД не можа перавышаць 1 (або 100%);
• для максімальнага павелічэння гэтай велічыні неабходна альбо павышэнне энергіі, атрыманай ад награвальніка, альбо памяншэнне энергіі, аддадзенай халадзільніка;
• павелічэння энергіі нагревателя дамагаюцца зменай якасці паліва;
• памяншэння энергіі, аддадзенай халадзільніка, дазваляюць дамагчыся канструктыўныя асаблівасці рухавікоў.

Ідэальны цеплавой рухавік

Ці магчыма стварэнне такога рухавіка, каэфіцыент карыснага дзеяння якога быў бы максімальным (у ідэале - роўным 100%)? Знайсці адказ на гэтае пытанне паспрабаваў французскі фізік-тэарэтык і таленавіты інжынер Садзі Карно. У 1824 яго тэарэтычныя выкладкі аб працэсах, якія праходзяць у газах, былі апублікаваныя.

Асноўнай ідэяй, закладзенай у ідэальнай машыне, можна лічыць правядзенне зварачальных працэсаў з ідэальным газам. Пачынаем з пашырэння газу ізатэрмічнага пры тэмпературы T _1. Колькасць цеплыні, неабходнай для гэтага, - Q _1. Пасля газ без цеплаабмену пашыраецца (працэс адыябат- ны). Дасягнуўшы тэмпературы Т _2, газ сціскаецца ізатэрмічны, перадаючы халадзільніка энергію Q _2. Вяртанне газу ў першапачатковы стан вырабляецца Адыябатны.

ККД ідэальнага цеплавога рухавіка Карно пры дакладным разліку роўны стаўленню рознасці тэмператур награвальнага і астуджальнага прылад да тэмпературы, якую мае награвальнік. Выглядае гэта так: η = (T ₁ - Т ₂₎ / T _1.

Магчымы ККД цеплавой машыны, формула якога мае выгляд: η = 1 - Т ₂ / T _1, залежыць толькі ад значэння тэмператур награвальніка і ахаладжальніка і не можа быць больш за 100%.

Больш за тое, гэтыя суадносіны дазваляе даказаць, што ККД цеплавых машын можа быць роўны адзінцы толькі пры дасягненні халадзільнікам абсалютнага нуля тэмператур. Як вядома, гэта значэнне недасягальна.

Тэарэтычныя выкладкі Карно дазваляюць вызначыць максімальны ККД цеплавой машыны любой канструкцыі.

Даказаная Карно тэарэма гучыць наступны чынам. Адвольная цеплавая машына ні пры якіх умовах не здольная мець каэфіцыент карыснага дзеяння больш за аналагічны значэння ККД ідэальнай цеплавой машыны.

Прыклад рашэння задач

Прыклад 1. Які ККД ідэальнай цеплавой машыны, у выпадку калі тэмпература награвальніка складае 800 ^аб З, а тэмпература халадзільніка на 500 ^аб З ніжэй?

T ₁ = 800 ^аб З = 1073 Да, ΔT = 500 ^аб З = 500 Да, η -?

рашэнне:

Па вызначэнні: η = (T ₁ - Т ₂₎ / T _1.

Нам не дадзена тэмпература халадзільніка, але ΔT = (T ₁ - Т _2), адсюль:

η = ΔT / T ₁ = 500 К / 1073 Да = 0,46.

Адказ: ККД = 46%.

Прыклад 2. Вызначце ККД ідэальнай цеплавой машыны, калі за кошт набытага аднаго килоджоуля энергіі нагревателя здзяйсняецца карысная праца 650 Дж. Якая тэмпература награвальніка цеплавой машыны, калі тэмпература ахаладжальніка - 400 Да?

Q ₁ = 1 кДж = 1000 Дж, А = 650 Дж, Т ₂ = 400 Да, η -?, T ₁ =?

рашэнне:

У дадзенай задачы гаворка ідзе пра цеплавой ўсталёўцы, ККД якой можна вылічыць па формуле:

η = A / Q _1.

Для вызначэння тэмпературы награвальніка скарыстаемся формулай ККД ідэальнай цеплавой машыны:

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

Выканаўшы матэматычныя пераўтварэнні, атрымаем:

Т ₁ = Т ₂ / (1- η).

Т ₁ = Т ₂ / (1- A / Q _1).

вылічым:

η = 650 Дж / 1000 Дж = 0,65.

Т ₁ = 400 К / (1- 650 Дж / 1000 Дж) = 1142,8 К.

Адказ: η = 65%, Т ₁ = 1142,8 К.

рэальныя ўмовы

Ідэальны цеплавой рухавік распрацаваны з улікам ідэальных працэсаў. Праца здзяйсняецца толькі ў ізатэрмічных працэсах, яе велічыня вызначаецца як плошча, абмежаваная графікам цыклу Карно.

У рэчаіснасці стварыць умовы для праходжання працэсу змены стану газу без суправаджаюць яго змен тэмпературы немагчыма. Няма такіх матэрыялаў, якія выключылі б цеплаабмен з навакольнымі прадметамі. Адыябатны працэс ажыццявіць становіцца немагчыма. У выпадку цеплаабмену тэмпература газу абавязкова павінна змяняцца.

ККД цеплавых машын, створаных у рэальных умовах, значна адрозніваюцца ад ККД ідэальных рухавікоў. Заўважым, што праходжанне працэсаў у рэальных рухавіках адбываецца настолькі хутка, што вар'іраванне ўнутранай цеплавой энергіі рабочага рэчывы ў працэсе змены яго аб'ёму не можа быць скампенсаваць прытокам колькасці цеплыні ад награвальніка і аддачай халадзільніка.

Іншыя цеплавыя рухавікі

Рэальныя рухавікі працуюць на іншых цыклах:

• цыкл Ота: працэс пры нязменным аб'ёме змяняецца Адыябатны, ствараючы замкнёны цыкл;
• цыкл Дызеля: ізабарны, адиабата, изохора, адиабата;
• газавая турбіна: працэс, які адбываецца пры пастаянным ціску, змяняецца Адыябатны, замыкае цыкл.

Стварыць раўнаважкія працэсы ў рэальных рухавіках (каб наблізіць іх да ідэальным) ва ўмовах сучаснай тэхналогіі не ўяўляецца магчымым. ККД цеплавых машын значна ніжэй, нават з улікам тых жа тэмпературных рэжымаў, што і ў ідэальнай цеплавой ўсталёўцы.

Але не варта змяншаць ролю разліковай формулы ККД цыклу Карно, паколькі менавіта яна становіцца пунктам адліку ў працэсе работы над павышэннем ККД рэальных рухавікоў.

Шляхі змены ККД

Праводзячы параўнанне ідэальных і рэальных цеплавых рухавікоў, варта адзначыць, што тэмпература халадзільніка апошніх не можа быць любы. Звычайна халадзільнікам лічаць атмасферу. Прыняць тэмпературу атмасферы можна толькі ў набліжаных разліках. Вопыт паказвае, што тэмпература ахаладжальніка роўная тэмпературы адпрацаваных у рухавіках газаў, як гэта адбываецца ў рухавіках унутранага згарання (скарочана ДВС).

ДВС - найбольш распаўсюджаная ў нашым свеце цеплавая машына. ККД цеплавой машыны ў гэтым выпадку залежыць ад тэмпературы, створанай палае паліва. Істотным адрозненнем ДВС ад паравых машын з'яўляецца зліццё функцый нагревателя і працоўнага цела прылады ў паветрана-паліўнай сумесі. Згараючы, сумесь стварае ціск на рухомыя часткі рухавіка.

Павышэння тэмпературы працоўных газаў дасягаюць, істотна мяняючы ўласцівасці паліва. На жаль, неабмежавана гэта рабіць немагчыма. Любы матэрыял, з якога выраблена камера згарання рухавіка, мае сваю тэмпературу плаўлення. Цеплаўстойлівасць такіх матэрыялаў - асноўная характарыстыка рухавіка, а таксама магчымасць істотна паўплываць на ККД.

Значэння ККД рухавікоў

Калі разгледзець паравую турбіну, тэмпература рабочага пара на ўваходзе якой роўная 800 Да, а што адпрацавала газу - 300 Да, то ККД гэтай машыны роўна 62%. У рэчаіснасці ж гэта велічыня не перавышае 40%. Такое паніжэнне ўзнікае з прычыны цеплавых страт пры награванні корпуса турбін.

Найбольшае значэнне ККД рухавікоў унутранага згарання не перавышае 44%. Павышэнне гэтага значэння - пытанне недалёкага будучыні. Змена ўласцівасцяў матэрыялаў, паліва - гэта праблема, над якой працуюць лепшыя розумы чалавецтва.