Коэффициент полезного действия теплового двигателя: КПД теплового двигателя

Содержание

Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика – это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии топлива. Запасы топлива в недрах Земли и океанах можно считать практически неограниченными. Для того чтобы использовать его внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу. Устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем. Именно двигатели приводят в движение станки на фабриках и заводах, транспортные средства, комбайны и другие машины, вращают роторы генераторов электрического тока. Основная часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели. 
Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.   

Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три основные части: нагреватель, рабочее тело и холодильник. На схеме мы видим, что нагреватель передает рабочему телу двигателя какое-то количество теплоты Q1(кю) часть её идет на выполнение работы двигателем, другая часть Q2 передается холодильнику. 
В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию, следовательно, необходимо иметь систему, за счет внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твердые тела, поэтому в качестве рабочего тела используют газ или пар. В паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания – газ, состоящий из смеси бензина и воздуха.
Поскольку работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела, то для её увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторой температуры Т1. Для этого в состав двигателя входит нагреватель.
В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. В паровой турбине нагреватель - это самостоятельное устройство – паровой котел. В нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера, в паровой турбине – специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара  конденсаторы. Конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее, чем атмосфера.
Следовательно, только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, превращается в полезную работу.    Часть теплоты неизбежно передается холодильнику 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 горячего нагревателя к более холодному холодильнику.
Так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю, то часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу.    Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна разности количества теплоты, полученное от нагревателя, и количества теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия или сокращенно КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то их коэффициент полезного действия всегда меньше единицы.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При одинаковой температуре нагревателя и холодильника двигатель не может работать.
Французский ученый Сади Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году, решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей, предложил модель идеального теплового двигателя. Рабочим телом в нем служит идеальный газ. Энергетически наиболее выгодными являются адиабатный и изотермический процессы, происходящие с идеальным газом. В них вся полученная газом энергия превращается в работу. 
На рисунке мы видим график зависимости давления от объема в идеальном тепловом двигателе Карно, называемый циклом Карно. Участок графика 1-2 соответствует изотермическому расширению газа. При этом оно получает от нагревателя, температура которого Т1, количество теплоты Q1. Участок графика 2-3 соответствует адиабатному расширению рабочего тела, при этом оно охлаждается до температуры Т2, равной температуре холодильника. Затем газ изотермически сжимается на участке 3-4 при температуре Т2. При этом холодильнику передается количество теплоты Q2. И, наконец, на участке 4-1, рабочее тело адиабатно сжимается, его температура при этом повышается до температуры нагревателя Т1.   
Карно получил, что для идеального теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению разницы между температурами нагревателя и холодильника к температуре нагревателя или единица минус отношение температуры холодильника к температуре нагревателя. Из этой формулы следует, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя всегда меньше единицы, даже если устранены все потери энергии. Это связано с тем, что некоторое количество теплоты всегда передается холодильнику.
Формула, полученная Карно показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, коэффициент полезного действия равен 1.
Совершенствуя двигатели, их КПД стремятся приблизить к коэффициенту полезного действия идеального двигателя Карно, работающего при тех же температурах нагревателя и холодильника. А он тем больше, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Поэтому для повышения КПД теплового двигателя стремятся повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника. Сложность заключается в том, что повышение температуры нагревателя ограничивается свойствами применяемых в конструкции двигателей материалов.  Однако любое вещество обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. При нагревании оно постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Кроме того, материалы должны обладать высокой механической прочностью и выдерживать высокие давления, не разрушаясь.
Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. 
Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.

Урок по физике на тему "КПД тепловых двигателей"(8 класс)

Урок физики в 8 классе.

Тема: «Коэффициент полезного действия теплового двигателя».

Тип урока: комбинированный.

Цели урока: Научиться определять КПД тепловых двигателей

Задачи урока:

  1. Образовательные цели: применение изученного ранее понятия КПД к тепловым двигателям, установление связи между различными видами энергии, первичное закрепление новых знаний.

  2. Развивающие цели: овладение учащимися методами научного исследования: анализа и синтеза, развитие логического мышления, расширение кругозора учащихся.

  3. Воспитательные цели: формирование добросовестного отношения к труду, положительной мотивации к учению и овладению новыми знаниями, повышение интереса к предмету.

План урока:

  1. Организационный момент.

  2. Сообщение темы и целей урока.

  3. Актуализация знаний – повторение изученного материала.

  4. Изучение нового материала.

  5. Закрепление изученного материала.

  6. Рефлексия.

  7. Домашнее задание

Оборудование: пробирка с пробкой, штативы, деревянный метр, спиртовка, ПК, мультимедийный проектор, интерактивная доска.

Этап 1. Организационный момент. (2 мин.)

Здравствуйте. Присаживайтесь.

Дети здороваются. Садятся. Достают учебники готовятся к уроку.

Этап 2. Сообщение темы и целей урока. (5 мин.)

Название темы пишется на доске. Ученики записывают тему. Включается презентация.

Сообщается что на уроке проведем демонстрационный опыт.

Этап 3. Актуализация знаний – повторение изученного материала. (5 мин.)

Фронтальный опрос:

  1. Что называется тепловым двигателем?

Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию

  1. Какие тепловые двигатели вы знаете?

Двигатель внутреннего сгорания

Газовая турбина

Реактивный двигатель

Паровая машина Дэни Папена

Паровая машина Томаса Ньюкомена

Паровая машина Джеймса Уатта

Паровая турбина Лаваля

Паровая труба Парсона

Паровоз Стефансона и Черепановых

  1. Какие превращения энергии происходят при работе тепловых двигателей?

Энергия топлива переходит в энергию газа (пара). Газ расширяется, совершает работу и при этом охлаждается. Часть энергии превращается в механическую энергию.

Этап 4. Изучение нового материала.

Сведения из истории:

В 3 веке до н. э. Архимед изобрел пушку, которая стреляла за счет энергии пара. При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола заливали воду. Вода мгновенно испарялась, и пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

Демонстрационный эксперимент «Модель паровой пушки»: в пробирку с пробкой наливается вода и нагревается в пламени спиртовки. Вода закипает, и пробка выскакивает из пробирки.

Вопрос: какие превращения энергии произошли в ходе этого эксперимента?

Ответы учащихся фиксируются на интерактивной доске:

Постановка проблемы: Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, перешла в механическую энергию пробки?

Экспериментальная проверка гипотезы.

В штативе вертикально устанавливается деревянный метр, нижний конец которого находится на уровне пробки. Пробирка с водой располагается вертикально и нагревается в пламени спиртовки. Учащиеся засекают время нагревания пробирки до выстрела по часам с секундной стрелкой. Во время выстрела фиксируется высота подъема пробки. Полученные данные оформляются в виде задачи.

Дано: СИ: Решение:

m = 9г 0,009кг Qт = N t

N = 0,5Вт Eп = m g h

t = 60 с

h = 1,2 м

__________

Qт - ? Еп - ?

Вопросы:

  1. Почему в полученных результатах настолько отличаются значения?

  2. Куда израсходовалась часть энергии?

  3. Вспомните формулу физической величины, которая показывает, какая часть от затраченной энергии пошла на полезную работу?

  1. Какая полезная работа была совершена в эксперименте при выстреле вверх?

Была совершена полезная работа по поднятию пробки.

  1. Против какой силы была совершена работа по поднятию пробки, если не учитывать сопротивление воздуха?

Против силы тяжести.

Следовательно, полезная работа по модулю равна работе силы тяжести.

Ап = Fтяж . S

Fтяж = mg S = h

Ап = mgh

  1. Какая физическая величина равна mgh?

Потенциальная энергия пробки:

Еп = mgh

Следовательно: Ап = Еп.

  1. Благодаря какой энергии произошел выстрел?

Использовали энергию сгоревшего топлива. На выстрел была затрачена энергия топлива.

Аз = Qн

Получаем формулу КПД для экспериментальной модели:

Расчет КПД модели паровой пушки.

Распространение полученных результатов на все тепловые двигатели.

В тепловых двигателях рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Qн. Эта энергия возникает в результате сгорания топлива:

Qнз

Часть энергии, полученной от нагревателя, расходуется на совершение полезной работы Ап, на движение поршня.

КПД теплового двигателя – это физическая величина, показывающая какая часть энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.

Другая часть энергии уходит в виде тепла, количество которого Qн, в холодильник (в окружающую среду).

Полезная работа равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя и количества теплоты Qн, отданного холодильнику Qх.(холодильник это любое внешнее тело, имеющее температуру меньше рабочего тела и служащее для охлаждения рабочего тела после совершения им работы):

Ап = QнQх

Формула преобразуется в другую формулу:

Этап 5. Закрепление изученного материала.

Решение задач по вариантам:

В – 1.

В топке паровоза сожгли 1,5 кг дров с удельной теплотой сгорания 0,42.107Дж/кг, при этом была совершена полезная работа 18,9 МДж. Определить КПД паровоза.

Дано: Решение:

m =1,5 кг

Aп=1,89·107 Дж

q=4,2·106

КПД- ?

Ответ: КПД=30%

В – 2.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля совершил полезную работу 92 МДж. При этом он израсходовал 5 кг бензина с удельной теплотой сгорания 46.106 Дж/кг. Определить КПД двигателя автомобиля.

Дано: Решение:

m =5 кг

Aп=9,2·107 Дж

q=46·106

КПД- ?

Ответ: КПД=30%

Вопросы для закрепления:

  1. Какую физическую величину, изученную в 7 классе, мы вспомнили сегодня?

Энергия-физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

  1. Что такое КПД?

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

  1. Какие превращения энергии происходят в тепловых двигателях?

Энергия топлива переходит в энергию пара, затем энергия переходит частично в механическую энергию, а частично расходуется на совершение полезной работы двигателя.

  1. Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в тепловом двигателя переходит в механическую энергию?

Нет, так как часть энергии расходуется на возврат поршня в первоначальное положение.

  1. Что показывает КПД тепловых двигателей?

КПД теплового двигателя даёт характеристику его экономичности.

  1. Может ли КПД тепловых двигателей быть равным 100%?

КПД двигателя всегда меньше единицы.

Этап 6. Рефлексия.

  1. Что заинтересовало вас сегодня на уроке?

  2. Что вызвало трудности?

  3. Удалось ли нам их преодолеть?

  4. Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?

Этап 7. Домашнее задание

Вопросы после параграфа.

КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах

Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Как устроен тепловой двигатель

С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.

Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.

Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:

Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T1. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:

$$η={Аover Q1}$$

Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда

$η ={1 – Q2over Q1}$

Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 2. Цикл Карно:.

Напомним:

  • Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0);
  • Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

$$ηmax=1-{T2over T1}$$

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.

Рис. 3. КПД реальных тепловых двигателей:.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T1 и холодильника Т2, тем больше КПД.

Предыдущая

ФизикаДвигатель внутреннего сгорания – как работает, принцип действия и типы

Следующая

ФизикаНасыщенный пар – плотность, температура, свойства в таблице

Тепловая машина - Энергетическое образование

Тепловой двигатель - это тип двигателя (например, двигателя в автомобиле), который производит макроскопическое движение за счет тепла. Когда люди трутся руками, трение превращает механическую энергию (движение наших рук) в тепловую энергию (руки становятся теплее). Тепловые двигатели делают прямо противоположное; они берут энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращают ее в движение. Часто это движение превращается в электричество с помощью генератора.

Почти вся энергия, используемая для транспорта и электричества, поступает от тепловых двигателей. Горячие предметы, даже газы, обладают тепловой энергией, которую можно превратить во что-то полезное. Тепловые двигатели перемещают энергию из горячего места в холодное и переводят часть этой энергии в механическую. Тепловым двигателям для работы требуется разница температур.

Изучение термодинамики было первоначально вдохновлено попыткой получить как можно больше энергии из тепловых двигателей. [2] По сей день используются различные виды топлива, такие как бензин, уголь и уран. Все эти тепловые двигатели по-прежнему работают в пределах, установленных вторым законом термодинамики. Это означает, что для нагрева газа используются различные виды топлива, и требуется большой резервуар для холода, чтобы избавиться от отработанного тепла. Часто отработанное тепло уходит в атмосферу или в большой водоем (океан, озеро или реку).

В зависимости от типа двигателя используются разные процессы, такие как воспламенение топлива путем сгорания (бензин и уголь) или использование энергии ядерных процессов для производства тепла (уран), но конечная цель одна и та же: переключение тепла в работу.Самый известный пример теплового двигателя - двигатель автомобиля, но большинство электростанций, таких как угольные, газовые и ядерные, также являются тепловыми двигателями.

Двигатель внутреннего сгорания

полная статья

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. Затем в качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха.Хотя это обычно делается с помощью поршня, это также можно сделать с помощью турбины.

На рисунке 1 показан пример двигателя внутреннего сгорания. Этот конкретный тип называется четырехтактным двигателем, который довольно часто встречается в автомобилях.

Внешний тепловой двигатель

определение теплового двигателя и синонимы теплового двигателя (английский)

В термодинамике тепловой двигатель - это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу. [1] [2] Это достигается за счет перевода рабочего тела из высокотемпературного состояния в более низкотемпературное. «Источник» тепла генерирует тепловую энергию, которая переводит рабочее тело в высокотемпературное состояние. Рабочее вещество генерирует работу в «рабочем теле» двигателя, передавая тепло более холодной «стоковой» до тех пор, пока оно не достигнет низкотемпературного состояния. Во время этого процесса часть тепловой энергии преобразуется в работу за счет использования свойств рабочего вещества.Рабочим веществом может быть любая система с ненулевой теплоемкостью, но обычно это газ или жидкость.

Обычно двигатель преобразует энергию в механическую работу. Тепловые двигатели отличаются от других типов двигателей тем, что их эффективность фундаментально ограничена теоремой Карно. [3] Хотя это ограничение эффективности может быть недостатком, преимущество тепловых двигателей заключается в том, что большинство форм энергии можно легко преобразовать в тепло с помощью таких процессов, как экзотермические реакции (например, горение), поглощение света или энергичных частиц, трение. , рассеивание и сопротивление.Так как источник тепла, который поставляет тепловую энергию в двигатель, может приводиться в действие практически любым видом энергии, тепловые двигатели очень универсальны и имеют широкий диапазон применения.

Тепловые двигатели часто путают с циклами, которые они пытаются имитировать. Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель». При описании модели используется термин «цикл».

Обзор

Рисунок 1: Схема теплового двигателя

В термодинамике тепловые двигатели часто моделируются с использованием стандартной инженерной модели, такой как цикл Отто.Теоретическая модель может быть уточнена и дополнена фактическими данными от работающего двигателя, используя такие инструменты, как индикаторная диаграмма. Поскольку очень немногие фактические реализации тепловых двигателей точно соответствуют своим термодинамическим циклам, можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя. В любом случае, полное понимание двигателя и его эффективности требует хорошего понимания (возможно, упрощенной или идеализированной) теоретической модели, практических нюансов реального механического двигателя и различий между ними.

В общих чертах, чем больше разница температур между горячим источником и холодным стоком, тем больше потенциальный тепловой КПД цикла. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничивается температурой, близкой к температуре окружающей среды или не намного ниже 300 Кельвинов, поэтому большинство усилий по повышению термодинамической эффективности различных тепловых двигателей сосредоточено на повышении температуры окружающей среды. источник, в пределах материала. Максимальный теоретический КПД теплового двигателя (которого никогда не достигает ни один двигатель) равен разнице температур между горячим и холодным концом, деленной на температуру на горячем конце, и все это выражается в абсолютной температуре или градусах Кельвина.

Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, колеблется от 3 процентов [ необходима цитата ] (97 процентов отработанного тепла) для предложения OTEC по производству энергии океана до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей [ требуется цитата ] от 45% для сверхкритической угольной электростанции до примерно 60% для газовой турбины комбинированного цикла с паровым охлаждением. [4]

Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за перепада температур в них.

Мощность

Тепловые двигатели можно охарактеризовать их удельной мощностью, которая обычно выражается в киловаттах на литр рабочего объема двигателя (в США также лошадиные силы на кубический дюйм). Результат предлагает приблизительную максимальную выходную мощность двигателя. Это не следует путать с топливной экономичностью, поскольку для высокой эффективности часто требуется обедненное соотношение топлива и воздуха и, следовательно, более низкая удельная мощность. Двигатель современного высокопроизводительного автомобиля вырабатывает более 75 кВт / л (1,65 л.с. / дюйм³).

Примеры на каждый день

Примеры повседневных тепловых двигателей включают паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле. Распространенная игрушка, которая также является тепловым двигателем, - это пьющая птица. Также двигатель Стирлинга является тепловым двигателем. Все эти знакомые тепловые двигатели работают за счет расширения нагретых газов. Основное окружение - это радиатор, обеспечивающий относительно холодные газы, которые при нагревании быстро расширяются, приводя в движение двигатель.

Примеры тепловых двигателей

Важно отметить, что хотя некоторые циклы имеют типичное место сгорания (внутреннее или внешнее), они часто могут быть реализованы с другим. Например, Джон Эрикссон разработал двигатель с внешним подогревом, работающий по циклу, очень похожему на предыдущий дизельный цикл. Кроме того, двигатели с внешним подогревом часто могут быть реализованы с открытым или закрытым циклом.

Это сводится к тому, что существуют термодинамические циклы и большое количество способов их реализации.

Циклы смены фаз

В этих циклах и двигателях рабочими жидкостями являются газы и жидкости. Двигатель преобразует рабочую жидкость из газа в жидкость, из жидкости в газ или и то, и другое, создавая работу за счет расширения или сжатия жидкости.

Циклы только на газе

В этих циклах и двигателях рабочей жидкостью всегда является газ (т.е. фазового перехода нет):

Циклы только жидкости

В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда как жидкость:

Электронные циклы

Магнитные циклы

Циклы, используемые для охлаждения

Основная статья: охлаждение

Бытовой холодильник - это пример теплового насоса: тепловая машина наоборот.Работа используется для создания дифференциала тепла. Многие циклы могут выполняться в обратном порядке, чтобы переместить тепло с холодной стороны на горячую, делая холодную сторону более холодной, а горячую сторону более горячей. Варианты этих циклов для двигателей внутреннего сгорания по своей природе необратимы.

Циклы охлаждения включают:

Испарительные тепловые двигатели

Испарительный двигатель Бартона - это тепловая машина, основанная на цикле выработки энергии и охлаждения влажного воздуха в результате испарения воды в горячий сухой воздух.

Мезоскопические тепловые двигатели

Мезоскопические тепловые двигатели - это устройства нанометрового размера, которые могут служить для обработки тепловых потоков и выполнять полезную работу в небольших масштабах. Возможные приложения включают, например, электрические охлаждающие устройства. В таких мезоскопических тепловых двигателях продолжительность рабочего цикла колеблется из-за теплового шума. Существует точное равенство, которое связывает среднее значение показателей работы, выполняемой любым тепловым двигателем, и теплопередачи от более горячей тепловой ванны. [6] Это соотношение превращает неравенство Карно в точное равенство.

КПД

Эффективность теплового двигателя определяет, сколько полезной работы производится при заданном количестве подводимой тепловой энергии.

Из законов термодинамики:

где
- работа, извлеченная из двигателя. (Это отрицательно, так как работа проделана двигателем. )
- это тепловая энергия, забираемая из высокотемпературной системы. (Он отрицательный, так как тепло извлекается из источника, следовательно, положительный.)
- это тепловая энергия, передаваемая в холодную температурную систему. (Положительный результат, поскольку в раковину добавляется тепло.)

Другими словами, тепловой двигатель поглощает тепловую энергию от высокотемпературного источника тепла, преобразовывая часть ее в полезную работу и доставляя остальную часть в холодный радиатор.

В общем, эффективность данного процесса теплопередачи (будь то холодильник, тепловой насос или двигатель) неформально определяется отношением «то, что вы получаете», к «тому, что вы вкладываете».«

В случае двигателя требуется извлечение работы и передача тепла.

Теоретическая максимальная эффективность любого теплового двигателя зависит только от температур, между которыми он работает. Эта эффективность обычно достигается с использованием идеального воображаемого теплового двигателя, такого как тепловой двигатель Карно, хотя другие двигатели, использующие другие циклы, также могут достичь максимальной эффективности. Математически это связано с тем, что в обратимых процессах изменение энтропии холодного резервуара является отрицательным по сравнению с изменением энтропии горячего резервуара (т.е.е.,), сохраняя полное изменение энтропии равным нулю. Таким образом:

где - абсолютная температура горячего источника и холодного стока, обычно измеряемая в кельвинах. Обратите внимание, что положительно, а отрицательно; в любом обратимом процессе извлечения работы энтропия в целом не увеличивается, а скорее перемещается из горячей (высокоэнтропийной) системы в холодную (низкоэнтропийную), уменьшая энтропию источника тепла и увеличивая энтропию тепла. тонуть.

Причина, по которой это максимальная эффективность , состоит в следующем. Сначала предполагается, что если возможен более эффективный тепловой двигатель, чем двигатель Карно, то он может работать в обратном направлении как тепловой насос. Математический анализ может быть использован, чтобы показать, что эта предполагаемая комбинация приведет к чистому снижению энтропии. Так как согласно второму закону термодинамики это статистически невероятно до точки исключения, эффективность Карно является теоретической верхней границей надежной эффективности любого процесса .

Эмпирическим путем ни один тепловой двигатель не работал с большей эффективностью, чем тепловой двигатель с циклом Карно.

На рисунках 2 и 3 показаны вариации КПД цикла Карно. На рис. 2 показано, как изменяется КПД с увеличением температуры подводимого тепла при постоянной температуре на входе компрессора. На рис. 3 показано, как изменяется КПД с увеличением температуры отвода тепла при постоянной температуре на входе в турбину.

Рисунок 2: КПД цикла Карно при изменении температуры подводимого тепла.

Рисунок 3: КПД цикла Карно при изменении температуры отвода тепла.

Двигатели с нереверсивным тепловым двигателем

Наибольший КПД Карно как критерий производительности теплового двигателя заключается в том, что по своей природе любой максимально эффективный цикл Карно должен работать при бесконечно малом градиенте температуры. Это связано с тем, что любая передача тепла между двумя телами при разных температурах необратима, и поэтому выражение эффективности Карно применимо только в бесконечно малом пределе.Основная проблема заключается в том, что целью большинства тепловых двигателей является выработка некоторого вида мощности, а бесконечно малую мощность обычно не ищут.

Другая мера идеального КПД теплового двигателя дается соображениями необратимой термодинамики, где цикл идентичен циклу Карно, за исключением того, что два процесса теплопередачи не являются обратимыми (Callen 1985):

(Примечание: единицы K или ° R)

Эта модель лучше предсказывает, насколько хорошо могут работать реальные тепловые двигатели (Callen 1985, см. Также необратимую термодинамику):

Как показано, обратимая эффективность гораздо более точно моделирует наблюдаемые данные.

История

Основная статья: Хронология технологии тепловых двигателей

Тепловые двигатели были известны с древних времен, но превратились в полезные устройства только во время промышленной революции восемнадцатого века. Они продолжают развиваться и сегодня.

Усовершенствования теплового двигателя

Инженеры

тщательно изучили различные циклы тепловых двигателей, пытаясь увеличить объем полезной работы, которую они могли бы извлечь из данного источника энергии. Предел цикла Карно не может быть достигнут ни с одним газовым циклом, но инженеры разработали по крайней мере два способа обойти этот предел и один способ повысить эффективность без нарушения каких-либо правил.

  1. Увеличьте разницу температур в тепловом двигателе. Самый простой способ сделать это - повысить температуру горячей стороны, что используется в современных газовых турбинах с комбинированным циклом. К сожалению, физические ограничения (например, температура плавления материалов, из которых изготовлен двигатель) и экологические проблемы, связанные с производством NO x , ограничивают максимальную температуру рабочих тепловых двигателей. Современные газовые турбины работают при максимально высоких температурах в диапазоне температур, необходимых для поддержания приемлемого выхода NO x [ цитата необходима ] .Другой способ повышения эффективности - снижение выходной температуры. Один из новых методов - использовать смешанные химические рабочие жидкости, а затем использовать изменяющееся поведение смесей. Одним из самых известных является так называемый цикл Калины, в котором в качестве рабочего тела используется смесь аммиака и воды в соотношении 70/30. Эта смесь позволяет циклу генерировать полезную мощность при значительно более низких температурах, чем в большинстве других процессов.
  2. Используйте физические свойства рабочей жидкости. Наиболее распространенной такой эксплуатацией является использование воды выше так называемой критической точки или так называемого сверхкритического пара. Поведение жидкостей выше их критической точки радикально меняется, и с такими материалами, как вода и углекислый газ, можно использовать эти изменения в поведении для получения большей термодинамической эффективности теплового двигателя, даже если он использует довольно обычные модели Брайтона или Ренкина. цикл. Более новым и очень многообещающим материалом для таких приложений является CO 2 .SO 2 и ксенон также рассматривались для таких применений, хотя SO 2 мало токсичен для большинства из них.
  3. Используйте химические свойства рабочего тела. Довольно новый и новый прием - использование экзотических рабочих жидкостей с выгодными химическими свойствами. Одним из них является диоксид азота (NO 2 ), токсичный компонент смога, который имеет природный димер в виде тетраоксида азота (N 2 O 4 ). При низкой температуре N 2 O 4 сжимается, а затем нагревается.Повышение температуры заставляет каждый N 2 O 4 распадаться на две молекулы NO 2 . Это снижает молекулярную массу рабочего тела, что резко увеличивает эффективность цикла. Как только NO 2 расширился через турбину, он охлаждается радиатором, что заставляет его рекомбинировать в N 2 O 4 . Затем он возвращается компрессором для другого цикла. Такие соединения, как бромид алюминия (Al 2 Br 6 ), NOCl и Ga 2 I 6 , были исследованы для таких целей.На сегодняшний день их недостатки не оправдывают их использования, несмотря на возможное повышение эффективности. [7]

Процессы тепловых двигателей

Цикл Процесс 1-2
(сжатие)
Процесс 2-3
(Добавление тепла)
Процесс 3-4
(Расширение)
Процесс 4-1
(Отвод тепла)
Банкноты
Энергетические циклы обычно с внешним сгоранием или циклами теплового насоса:
Белл Коулман адиабатический изобарический адиабатический изобарический Обратный цикл Брайтона
Карно изоэнтропический изотермический изоэнтропический изотермический
Эрикссон изотермический изобарический изотермический изобарический второй цикл Эрикссона с 1853 года
Ранкина адиабатический изобарический адиабатический изобарический Паровоз
Скудери адиабатический переменное давление
и объем
адиабатический изохорный
Стирлинг изотермический изохорный изотермический изохорный
Стоддард адиабатический изобарический адиабатический изобарический

Энергетические циклы в обычном режиме с внутренним сгоранием:
Брайтон адиабатический изобарический адиабатический изобарический Реактивные двигатели
версия этого цикла с внешним сгоранием известна как первый цикл Эрикссона с 1833 года
Дизель адиабатический изобарический адиабатический изохорный
Ленуар изобарический изохорный адиабатический Импульсные форсунки
(Примечание: процесс 1-2 выполняет как отвод тепла, так и сжатие)
Отто адиабатический изохорный адиабатический изохорный Бензиновые двигатели

Каждый процесс является одним из следующих:

  • изотермический (при постоянной температуре, поддерживаемой за счет добавления или отвода тепла от источника тепла или поглотителя)
  • изобарический (при постоянном давлении)
  • изометрический / изохорный (при постоянном объеме), также называемый изо-объемным
  • адиабатический (во время адиабатического процесса тепло не добавляется и не удаляется из системы, что эквивалентно утверждению, что энтропия остается постоянной, если процесс также является обратимым. Основы классической термодинамики , 3-е изд. п. 159, (1985) Дж. Дж. Ван Уилен и Р. Зоннтаг: «Тепловой двигатель можно определить как устройство, которое работает в термодинамическом цикле и выполняет определенную положительную работу в результате передачи тепла от высокотемпературного тела к низкотемпературному телу. Часто термин Тепловой двигатель используется в более широком смысле и включает все устройства, которые производят работу посредством теплопередачи или сгорания, даже если устройство не работает в термодинамическом цикле. Теплофизика: энтропия и свободные энергии , Джун Чанг Ли (2002), Приложение A, стр. 183: «Тепловой двигатель поглощает энергию от источника тепла и затем преобразует ее в работу для нас», «Когда двигатель поглощает тепловую энергию, поглощенная тепловая энергия приходит с энтропией». (тепловая энергия): «С другой стороны, когда двигатель выполняет работу, энтропия не покидает двигатель. Это проблематично. Мы хотели бы, чтобы двигатель повторял этот процесс снова и снова, чтобы обеспечить нам постоянный источник работы. "Концепции ядерных реакторов и термодинамические циклы" (PDF). https://netfiles.uiuc.edu/mragheb/www/NPRE%20402%20ME%20405%20Nuclear%20Power%20Engineering/Nuclear%20Reactors%20Concepts%20and%20Thermodynamic%20Cycles.pdf. Проверено 22 марта 2012.
  • Банкноты

    Внешние ссылки

    КПД котла Тепловые двигатели и котлы.

    Презентация на тему: «Эффективность котла Тепловые двигатели и котлы.»- стенограмма презентации:

    1 КПД котла Тепловые двигатели и котлы

    2 Содержание Тепловой баланс котлов Определение КПД
    Категории потерь Принципы конденсации дымовых газов Сезонная эффективность

    3 Тепловой баланс котлов

    4 Определение КПД котла

    5 Quseful = m (hout - hin)
    Прямая эффективность Полезная тепловая мощность может быть определена из массового расхода теплоносителя и энтальпии на входе и выходе: Quseful = m  (hout - hin) Для определения прямого КПД котла Расход топлива и теплоносителя необходимо измерять в дополнение к измерению давления среды на входе и выходе. Прямой КПД не дает информации о причинах изменения КПД котла. Он не дает представления, как уменьшить потери и повысить эффективность


    6 Косвенный КПД Различные типы потерь можно разделить на две группы: Потери типа сжигания возникают из-за неполного или неполного сгорания топлива, что означает, что несгоревшие горючие части, оставшиеся после окончания сгорания. при сгорании уходит в отходы, а не в полезные цели, а не в теплоноситель

    8 Расчет потерь В случае сжигания нефти и газа, если он соответствует требованиям защиты окружающей среды, потерями при сжигании можно пренебречь.В случае сжигания твердого топлива, как правило, это стоит учитывать. В этом случае необходимо отличать поток топлива на входе от реально горящего, выделяющего дымовые газы потока топлива. Bfg = F  B Величину потерь можно определить по результатам оперативных измерений. Qloss = массовый расход  выгорающее содержание  теплотворная способность выгорающей части. Коэффициент потерь определяется соотношением потерянной тепловой мощности и потребляемой мощности.  = Qloss / Qin

    9 Потери типа теплообменника
    Потери типа теплообменника - это общее название тепла, производимого при сгорании, но идущего в другом направлении, чем теплоноситель, что на самом деле является потерей.Различные формы потерь типа теплообменника: fg - тепловые потери дымовых газов rad - тепловые потери на излучение ashheat - физические тепловые потери золы

    10 Потери тепла с дымовыми газами Тепло, передаваемое в окружающий воздух, потому что дымовые газы имеют более высокую температуру, чем исходная или температура окружающей среды. Во всех случаях это самая большая потеря, которая в основном определяет КПД котла. В современных котлах она обычно находится в пределах fg =%. В более ранних конструкциях она находится в пределах fg =%. Когда дымовой газ охлаждается ниже температуры точки росы водяного пара (которая обычно находится между 40-60 C) можно получить тепло.Это может привести к тому, что общий КПД котла может быть выше 100% в случае, если входящее тепло рассчитывается на основе LHV.

    Тепловые двигатели и КПД - План видеоурока

    • Присоединяйтесь с помощью кода
    • Авторизоваться

    КПД тепловых двигателей

    Вернуться ко всем планам уроков Физика: эффективность теплового двигателя В этом видео рассказывается, как рассчитать КПД теплового двигателя. Из этого видео вы узнаете, как: -расчитать эффективность теплового двигателя. AP Physics 2: Thermal 29: Тепловые двигатели и их эффективность Посетите twuphysics.org для просмотра видео и дополнительных материалов по темам. Эти видеоролики с уроками физики включают лекции, демонстрации физики и ... Тепловой двигатель может использовать тепло для работы. Но это не может быть идеально эффективным! | Док Физика Движок героя - так просто! Физика - термодинамика: (6 из 14) КПД теплового двигателя: пример 2 Посетите, чтобы получить больше лекций по математике и естествознанию! В этом видео я покажу вам, как рассчитать КПД (теплового) двигателя, пример 2.Термодинамика (физика) Урок 4 Тепловые двигатели Учебная программа 101 по физике Ресурсы и планы уроков Введение в тепловой двигатель Введение в тепловую машину Карно и цикл Ренкина.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *