ККД теплового двигуна. ККД теплового двигуна - формула визначення
Роботу багатьох видів машин характеризує такий важливий показник, як ККД теплового двигуна. Інженери з кожним роком прагнуть створювати більш досконалу техніку, яка при менших витратах палива давала б максимальний результат від його використання.
Зміст
Пристрій теплового двигуна
ККД теплового двигуна
Перш ніж розбиратися в тому, що таке ККД (коефіцієнт корисної дії), необхідно зрозуміти, як же працює цей механізм. Без знання принципів його дії не можна з'ясувати сутність цього показника. Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює роботу завдяки використанню внутрішньої енергії. Будь-яка теплова машина, що перетворює теплову енергію в механічну, використовує теплове розширення речовин при підвищенні температури. У твердотільних двигунах можливо не тільки зміна обсягу речовини, але і форми тіла. Дія такого двигуна підпорядковане законам термодинаміки.
Принцип функціонування
Для того щоб зрозуміти, як же працює тепловий двигун, необхідно розглянути основи його конструкції. Для функціонування приладу необхідні два тіла: гаряче (нагрівач) і холодне (холодильник, охолоджувач). Принцип дії теплових двигунів (ККД теплових двигунів) залежить від їх виду. Найчастіше холодильником виступає конденсатор пари, а нагрівачем - будь-який вид палива, що згорає в топці. ККД ідеального теплового двигуна знаходиться за такою формулою:
ККД = (Тнагрев. - Тхолод.) / Тнагрев. х 100%.
При цьому ККД реального двигуна ніколи не зможе перевищити значення, отриманого згідно з цією формулою. Також цей показник ніколи не перевищить вищезгаданого значення. Щоб підвищити ККД, найчастіше збільшують температуру нагрівача і зменшують температуру холодильника. Обидва ці процесу будуть обмежені реальними умовами роботи обладнання.
ККД теплового двигуна (формула)
ККД теплового двигуна (формула)
При функціонуванні теплового двигуна відбувається робота, у міру якою газ починає втрачати енергію і охолоджується до якоїсь температури. Остання, як правило, на кілька градусів вище навколишньої атмосфери. Це температура холодильника. Таке спеціальне пристрій призначений для охолодження з подальшою конденсацією відпрацьованого пара. Там, де є конденсатори, температура холодильника іноді нижче температури навколишнього середовища.
У тепловому двигуні тіло при нагріванні і розширенні не здатна віддати всю свою внутрішню енергію для здійснення роботи. Якась частина теплоти буде передана холодильника разом з вихлопними газами або парою. Ця частина теплової внутрішньої енергії неминуче втрачається. Робоче тіло при згоранні палива отримує від нагрівача певну кількість теплоти Q1. При цьому воно ще здійснює роботу A, в ході якої передає холодильнику частина теплової енергії: Q21.
ККД характеризує ефективність двигуна у сфері перетворення і передачі енергії. Цей показник часто вимірюється у відсотках. Формула ККД:
eta- * A / Qx100%, де Q - витрачена енергія, А - корисна робота.
Виходячи із закону збереження енергії, можна зробити висновок, що ККД буде завжди менше одиниці. Іншими словами, корисної роботи ніколи не буде більше, ніж на неї витрачено енергії.
ККД двигуна - це відношення корисної роботи до енергії, повідомленої нагрівачем. Його можна представити у вигляді такої формули:
eta- = (Q1-Q2) / Q1, де Q1 - теплота, отримана від нагрівача, а Q2 - віддана холодильника.
Робота теплового двигуна
ККД ідеального теплового двигуна
Робота, що здійснюється тепловим двигуном, розраховується за такою формулою:
A = | QH| - | QX|, Де А - робота, QH - кількість теплоти, що отримується від нагрівача, QX - кількість теплоти, що віддається охолоджувача.
ККД теплового двигуна (формула):
| QH| - | QX|) / | QH| = 1 - | QX| / | QH|
Він дорівнює відношенню роботи, яку здійснює двигун, до кількості отриманої теплоти. Частина теплової енергії при цій передачі втрачається.
Двигун Карно
Максимальна ККД теплового двигуна наголошується у приладу Карно. Це обумовлено тим, що в зазначеній системі він залежить тільки від абсолютної температури нагрівача (Тн) і охолоджувача (Тх). ККД теплового двигуна, що працює по циклу Карно, визначається за такою формулою:
(Тн - Тх) / Тн = - Тх - Тн.
Закони термодинаміки дозволили вирахувати максимальний ККД, який можливий. Вперше цей показник обчислив французький вчений і інженер Саді Карно. Він придумав теплову машину, яка функціонувала на ідеальному газу. Вона працює за циклом з 2 ізотерм і 2 адіабат. Принцип її роботи досить простий: до посудини з газом підводять контакт нагрівача, внаслідок чого робоче тіло розширюється ізотермічні. При цьому воно функціонує і отримує певну кількість теплоти. Після посудину теплоизолируют. Незважаючи на це, газ продовжує розширюватися, але вже адіабатно (без теплообміну з навколишнім середовищем). В цей час його температура знижується до показників холодильника. У цей момент газ контактує з холодильником, внаслідок чого віддає йому певну кількість теплоти при ізометричному стисненні. Потім посудину знову теплоизолируют. При цьому газ адіабатно стискається до початкового об'єму та стану.
Різновиди
У наш час існує багато типів теплових двигунів, які працюють за різними принципами і на різному паливі. У всіх у них свій ККД. До них належать такі:
• Двигун внутрішнього згоряння (поршневий), що представляє собою механізм, де частина хімічної енергії згорає палива переходить в механічну енергію. Такі прилади можуть бути газовими та рідинними. Розрізняють 2- і 4-тактні двигуни. У них може бути робочий цикл безперервної дії. За методом приготування суміші палива такі двигуни бувають карбюраторними (із зовнішнім сумішоутворенням) і дизельними (з внутрішнім). За видами перетворювача енергії їх поділяють на поршневі, реактивні, турбінні, комбіновані. ККД таких машин не перевищує показника в 0,5.
• Двигун Стірлінга - прилад, в якому робоче тіло знаходиться в замкнутому просторі. Він є різновидом двигуна зовнішнього згоряння. Принцип його дії заснований на періодичному охолодженні / нагріванні тіла з отриманням енергії внаслідок зміни його обсягу. Це один з найефективніших двигунів.
• Турбінний (Роторний) двигун із зовнішнім згорянням палива. Такі установки найчастіше зустрічаються на теплових електричних станціях.
• Турбінний (роторний) ДВС використовується на теплових електричних станціях в піковому режимі. Не так сильно поширений, як інші.
• Турбіновінтовой двигун за рахунок гвинта створює деяку частину тяги. Інше він отримує за рахунок вихлопних газів. Його конструкція являє собою роторний двигун (Газова турбіна), на вал якого насаджують повітряний гвинт.
Інші види теплових двигунів
• Ракетні, турбореактивні, реактивні двигуни, які отримують тягу за рахунок віддачі вихлопних газів.
• Твердотільні двигуни використовують як паливо тверде тіло. При роботі змінюється його обсяг, а форма. При експлуатації обладнання використовується гранично малий перепад температури.
Принцип дії теплових двигунів (ККД теплових двигунів)
Як можна підвищити ККД
Чи можливо підвищення ККД теплового двигуна? Відповідь потрібно шукати в термодинаміки. Вона вивчає взаємні перетворення різних видів енергії. Встановлено, що не можна всю наявну теплову енергію перетворити в електричну, механічну і т. П. При цьому перетворення їх в теплову відбувається без будь-яких обмежень. Це можливо через те, що природа теплової енергії заснована на неупорядоченном (хаотичному) русі частинок.
ККД теплового двигуна, що працює за принципом Карно
Чим сильніше розігрівається тіло, тим швидше будуть рухатися складові його молекули. Рух частинок стане ще більш безладним. Поряд з цим всі знають, що порядок можна легко перетворити на хаос, який дуже важко впорядкувати.