Ефективност на термичния двигател. Формула за определяне на ефективността на термичния двигател

Ефективността на много видове машини се характеризира с такъв важен показател като ефективността на топлинния двигател. Инженерите всяка година се стремят да създадат по-модерна техника, която при по-ниски разходи за гориво ще даде максимален резултат от използването й.

Устройството на термодвигателя

Преди да разберете каква ефективност е (ефективност), трябва да разберете как работи този механизъм. Без знанието на принципите на нейното функциониране е невъзможно да се изясни същността на този показател. Термичният двигател е устройство, което работи чрез използването на вътрешна енергия. Всяка термична машина, която се върти топлинна енергия при механични употреби термично разширение вещества с повишаваща се температура. При двигателите в твърдо състояние е възможно не само да се промени обемът на материята, но и формата на тялото. Действието на такъв двигател е предмет на законите на термодинамиката.

Принцип на функциониране

За да се разбере как работи топлинният двигател, е необходимо да се разгледа основата на неговия дизайн. Две тела са необходими за функционирането на устройството: горещо (нагревател) и студено (хладилник, охладител). Принципът на работа на топлинните двигатели (ефективност на термичните двигатели) зависи от техния тип. Често кондензаторът е кондензатор на пара и нагревател е всеки вид гориво, изгарящо в пещ. Ефективността на идеалния топлинен двигател се определя по следната формула:

Ефективност = (отопление - охлаждане) / отопление. х 100%.

В този случай ефективността на истинския двигател никога не може да надвишава стойностите, получени съгласно тази формула. Също така тази цифра никога няма да надвиши горната стойност. За да увеличите ефективността, най-често увеличавате температурата на нагревателя и намалявате температурата на хладилника. И двата процеса ще бъдат ограничени от действителните условия на работа на оборудването.

Ефективност на термичния двигател (формула)

Когато топлинният двигател работи, работата се извършва, тъй като газът започва да губи енергия и се охлажда до определена температура. Последното, като правило, е няколко градуса по-високо от околната атмосфера. Това е температурата на хладилника. Това 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 топлинния двигател тялото, когато се нагрява и разширява, не е в състояние да даде цялата си вътрешна енергия, за да извърши работата. Част от топлината ще бъде прехвърлена в хладилника заедно с отработени газове или пара. Тази част от термичната вътрешна енергия е неизбежно изгубено. Работното тяло, при изгаряне на горивото, получава от нагревателя определено количество топлина Q₁. В същото време тя все още върши работа А, по време на която прехвърля част от топлинната енергия в хладилника: Q₂₁.

Ефективността характеризира ефективността на двигателя в сферата на преобразуването и предаването на енергия. Този показател често се измерва в проценти. Формула за ефективност:

eta- * A / Qx100%, където Q е изразходваната енергия и А е полезна работа.

Изхождайки от закона за опазване на енергията, можем да заключим, че ефективността винаги ще бъде по-малка от единството. С други думи, полезната работа никога няма да бъде повече от енергията, изразходвана за нея.

Ефективността на двигателя е съотношението на полезната работа към енергията, съобщена от нагревателя. Тя може да бъде представена под формата на следната формула:

ета- = (Q₁-Q₂) / Q₁, където Q₁ - топлината, получена от нагревателя, и Q₂ - даден на хладилника.

Работа с топлинния двигател

Работата, извършена от топлинния двигател, се изчислява по следната формула:

А = | Q_Н| - |_X|, където А е работата, Q_Н - количеството топлина, получено от нагревателя, Q_X - количеството топлина, подадено на охладителя.

Ефективността на топлинния двигател (формула):

| Q_Н| - |_X| / Q_Н| = 1 - | Q_X| / | Q_Н|

Тя се равнява на съотношението на работата, извършена от двигателя, към полученото количество топлина. Част от топлинната енергия в това предаване се губи.

Carnot двигател

Максималната ефективност на топлинния двигател се отбелязва в устройството Carnot. Това се дължи на факта, че в тази система зависи само от абсолютната температура на нагревателя (Tn) и охладителя (Tx). Ефективността на работещ на топлинен двигател Carnot цикъл, се определя по следната формула:

(Тн - Тх) / Тн = - Тх - Тн.

Законите на термодинамиката позволиха да се изчисли максималната ефективност, която е възможна. За първи път тази цифра беше изчислена от френския учен и инженер Сади Карно. Той дойде с топлинен двигател, който работеше с идеален газ. Той работи на цикъл от 2 изотерми и 2 адиабати. Принципът на функционирането му е съвсем прост: контактът с нагревателя се осъществява с контакта на нагревателя, така че работната среда се разширява изотермично. По този начин функционира и получава определено количество топлина. След като съдът е изолиран. Въпреки това газът продължава да се разширява, но вече адиабатично (без топлообмен с околната среда). По това време температурата му пада в хладилника. В този момент газът се свързва с кондензатора, което му дава определено количество топлина при изометрична компресия. След това съдът отново е изолиран. Газът е адиабатично компресиран до първоначалния обем и състояние.

вид

Днес има много видове топлинни двигатели, които работят на различни принципи и на различни горива. Всички те имат своя собствена ефективност. Те включват следното:

• Двигател с вътрешно горене (бутало), който е механизъм, при който част от химическата енергия на горивото за горене преминава в механична енергия. Такива устройства могат да бъдат газови и течни. Разграничаване между дву- и четиритактови двигатели. Те могат да имат непрекъснат работен цикъл. Чрез метода за приготвяне на смес от гориво такива двигатели са карбуратор (с външно образуване на смеси) и дизелово гориво (с вътрешно). По видове на енергийния конвертор те се разделят на бутало, реактивно, турбина, комбинирани. Ефективността на тези машини не надвишава 0,5.

• Двигателят на Стърлинг е инструмент, в който работната среда е в затворено пространство. Това е един вид двигател с външно горене. Принципът на функционирането му се основава на периодично охлаждане / нагряване на тялото с производството на енергия поради промяна в неговия обем. Това е един от най-ефективните двигатели.

• Турбинен (въртящ се) двигател с външно горене на гориво. Такива инсталации най-често се намират в топлоелектрически централи.

• Турбинната (въртяща се) ICE се използва в термични централи в пиковия режим. Не толкова често, колкото другите.

• Турбинният двигател, дължащ се на винта, създава част от тягата. Останалото, което получава, се дължи на изгорелите газове. Неговият дизайн е ротационен двигател (газотурбин), на вала, на която е вкаран въздушният винт.

Други видове термични двигатели

• Ракети, турбокомпресори и реактивни двигатели, които получават сцепление чрез връщане на отработените газове.

• Дизеловите двигатели използват твърдо гориво. При работа не обемът му се променя, а формата му. При работа с оборудването се използва изключително малък спад на температурата.

Как да подобрим ефективността

Възможно ли е да се увеличи ефективността на топлинен двигател? Отговорът трябва да се търси в термодинамиката. Тя изучава взаимните трансформации на различни видове енергия. Установено е, че е невъзможно да се преобразува цялата налична топлинна енергия в електрическа, механична и т.н. В същото време превръщането им в топлинна енергия се осъществява без никакви ограничения. Това е възможно поради факта, че природата на топлинната енергия се основава на разочарованото (хаотично) движение на частиците.

Колкото по-затоплено е тялото, толкова по-бързо ще се движат молекулите, които го съставят. Движението на частиците ще стане още по-нестабилно. Наред с това всеки знае, че редът лесно може да се превърне в хаос, което е много трудно да се поръча.