كفاءة المحركات الحرارية. كفاءة حرارة المحرك - الفورمولا

تتطلب الحقائق الحديثة المحركات الحرارية عملية واسعة النطاق. محاولات عديدة لتحل محلها مع المحركات الكهربائية في حين تمر الفشل. المشاكل المرتبطة تراكم السلطة في أنظمة الحكم الذاتي، يتم حلها بصعوبة كبيرة.

المشاكل لا تزال ذات الصلة لتصنيع تكنولوجيا طاقة البطارية على أساس الاستخدام طويل الأجل. خصائص سرعة السيارات الكهربائية هي أبعد ما تكون عن تلك الموجودة في السيارات ومحركات الاحتراق الداخلي.

الخطوات الأولى في إنشاء محركات هجينة يمكن أن تقلل بشكل كبير من انبعاثات الضارة في المناطق الحضرية، حل المشاكل البيئية.

القليل من التاريخ

وقد عرف إمكانية تحويل الطاقة من البخار إلى طاقة حركية منذ العصور القديمة. 130 قبل الميلاد: الفيلسوف غيرون Aleksandriysky عرضها على لعبة الجمهور البخار - eolipil. المجال مليئة بالبخار، وجاء في دوران تحت تأثير المنبثقة من طائرات لها. لم يتم العثور على هذا النموذج من التوربينات البخارية الحديثة في وقت تقديم الطلب.

لسنوات عديدة والتنمية فيلسوف القرن اعتبر أنها مجرد لعبة ممتعة. في 1629 أنشأ الإيطالية D. برانكا التوربينات استباقية. تعيين الأزواج في الحركة القرص المتوفرة مع ريش.

ومنذ تلك اللحظة بدأ التطور السريع في محركات البخار.

حرارة المحرك

تحول الطاقة الداخلية من الوقود في طاقة الحركة من قطع غيار الآلات والآليات المستخدمة في المحركات الحرارية.

أجزاء رئيسية من الآلات: سخان (نظام استقبال الطاقة من الخارج)، وهيئة العمل (يؤدي تأثير مفيد)، ثلاجة.

تم تصميم سخان للسائل العمل لتجميع مخزون كاف من الطاقة الداخلية للعمل مفيد. الثلاجة يأخذ بعيدا الطاقة الزائدة.

ويطلق على السمة الرئيسية لكفاءة كفاءة المحركات الحرارية. وهذا يدل على كمية أي جزء من الطاقة المبذولة في تسخين قضى لأداء عمل مفيد. قد لا يتجاوز أعلى كفاءة، وهذه العملية مفيدة للجهاز، ولكن هذه القيمة 100٪.

حساب الكفاءة

دعونا سخان المكتسبة من الخارج الطاقة تساوي Q _1. أدوات الجسم ارتكب العمل A، بينما كانت تعطى الثلاجة الطاقة س _2.

واستنادا إلى تقرير، نحسب قيمة الكفاءة:

η = A / Q _1. ونحن نفترض أن A = س ₁ - س _2.

وبالتالي كفاءة حرارة المحرك، وتعطى صيغة التي كتبها η = (س ₁ - س ₂₎ / Q ₁ = 1 - س ₂ / Q _1، يسمح الاستنتاجات التالية:

• الكفاءة لا يمكن أن يتجاوز 1 (أو 100٪)؛
• لتعظيم هذه الكمية يجب زيادة سواء في الطاقة تم الحصول عليها من سخان، أو انخفاض الطاقة نظرا الثلاجة.
• زيادة القوة سخان تحقيق تغيير نوعية الوقود.
• تقليل الطاقة، ويعطي الثلاجة، والسماح لتحقيق ميزات تصميم المحركات.

على حرارة المحرك المثالي

هو خلق مثل هذا المحرك ممكن، وكفاءة والتي سيكون الحد الأقصى (في مثالية - يساوي 100٪)؟ العثور على الإجابة على هذا السؤال حاول الفيزيائي الفرنسي ومهندس موهوب سادي كارنو. في عام 1824 تم الإفراج عن حساباته النظرية حول العمليات التي تحدث في الغازات.

الفكرة الأساسية الواردة في آلة مثالية يمكن اعتبار عمليات عكس سلوك الغاز المثالي. بدءا من التوسع في isothermally الغاز في درجة حرارة T _1. كمية الحرارة اللازمة لهذا الغرض، - Q _1. بعد الغاز دون توسيع حرارة (عملية ثابت الحرارة). بعد الوصول إلى درجة الحرارة T _2، يتم ضغط الغاز isothermally عن طريق تمرير الثلاجة الطاقة س _2. يتم تنفيذ عودة الغاز إلى حالته الأصلية adiabatically.

كفاءة المحرك المثالي الحرارة كارنو مع حساب دقيق هي نسبة الفرق في درجة الحرارة بين التدفئة وجهاز التبريد إلى درجة حرارة، والتي لديها سخان. يبدو مثل هذا: η = (T ₁ - T ₂₎ / T _1.

الكفاءة الحرارية المحتملة للآلة، والتي لديها صيغة النموذج: η = 1 - T ₂ / T _1، يعتمد فقط على قيمة سخان وبرودة درجات الحرارة ولا يمكن أن يكون أكبر من 100٪.

وعلاوة على ذلك، هذه العلاقة تمكن واحد لإثبات أن كفاءة محركات الحرارة يمكن أن يكون مساويا لوحدة فقط عندما الثلاجة الصفر المطلق في درجة الحرارة. وكما هو معروف، هذه القيمة هي غير قابلة للتحقيق.

الحسابات النظرية كارنو تسمح لتحديد أقصى قدر من الكفاءة من حرارة المحرك من أي تصميم.

نظرية ثبت كارنو هي على النحو التالي. حرارة المحرك التعسفي تحت أي ظرف من الظروف قادرة على تأمين كفاءة أعلى من نفس القيم من كفاءة المحرك حرارة مثالية.

مثال على حل المشاكل

مثال 1. ما كفاءة المحرك حرارة مثالية، عندما تكون درجة حرارة سخان 800 C ودرجة ^حرارة الثلاجة 500 ^C أدناه؟

T ₁ = 800 ^{° C} = 1073 K، ΔT = 500 ^{° C} = 500 K، η -؟

الحل:

من حيث التعريف: η = (T ₁ - T ₂₎ / T _1.

ونحن لم تعط درجة حرارة الثلاجة، ولكن ΔT = (T ₁ - T _2)، وبالتالي:

η = ΔT / T ₁ = 500 K / 1073K = 0.46.

الجواب: الكفاءة = 46٪.

مثال 2. تحديد كفاءة المحرك حرارة مثالية، إذا كان ذلك بسبب الطاقة المكتسبة إجراء سخان واحد كيلو جول عمل مفيد 650 J. ما هو درجة حرارة سخان للحرارة المحرك إذا كانت درجة حرارة المبرد - 400 K؟

س ₁ = 1 جول = 1000 J A = 650 J، T ₂ = 400 K، η - ؟، T ₁ =؟

الحل:

في هذه المهمة، بل هو تركيب الحراري، كفاءة التي يمكن حسابها من المعادلة التالية:

η = A / Q _1.

لتحديد درجة حرارة سخان باستخدام كفاءة صيغة من حرارة المحرك المثالي:

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

أداء التحولات الرياضية، نحصل على:

T ₁ = T ₂ / (1- η).

T ₁ = T ₂ / (1- A / Q _1).

نحسب:

η = 650 J / 1000 J = 0،65.

T = 400 K ₁ / (1- 650 J / 1000 J) = 1142.8 K.

الجواب: η = 65٪، T ₁ = 1142.8 K.

الظروف الفعلية

محرك حرارة مثالية مصممة مع العمليات مثالية. يتم تنفيذ العمل فقط في عمليات متساوي الحرارة، وتعرف بأنها المنطقة المحصورة بين الرسم البياني للدورة كارنو.

في الواقع، لتهيئة الظروف لتدفق تتغير حالة الغاز في هذه العملية، دون أن يرافق التغيرات في درجات الحرارة لا يمكن أن يكون. لا يوجد مثل هذه المواد، التي من شأنها أن تستبعد تبادل الحرارة مع الكائنات المحيطة بها. تصبح عملية ثابت الحرارة من المستحيل القيام بها. في حالة درجة حرارة الغاز التبادل الحراري يجب أن تتغير بالضرورة.

كفاءة الآلات الحرارية التي تم إنشاؤها في الظروف الحقيقية تختلف اختلافا كبيرا من الكفاءة المثالية للمحركات. لاحظ أن تدفق العمليات في محركات الحقيقية يحدث بسرعة أن تغير من الطاقة الحرارية الداخلية للمادة العاملة في عملية تغيير حجمه لا يمكن تعويضه عن طريق تدفق كمية حرارة سخان والعودة برودة.

المحركات الحرارية الأخرى

محركات حقيقية تعمل على دورات مختلفة:

• دورة أوتو عملية حجم ثابت مع تغير ثابت الحرارة، وخلق حلقة مغلقة.
• الديزل دورة خط تساوي الضغط الجوي، ثابت الحرارة، isochore، ثابت الحرارة،
• توربينات الغاز: عملية تحدث عند ضغط ثابت، ثابت الحرارة محل إغلاق الحلقة.

إنشاء عمليات التوازن في محركات الحقيقية (لجعلها أقرب إلى المثالية) في التكنولوجيا الحديثة غير ممكن. كفاءة المحركات الحرارية أقل بكثير، حتى مع وجود ظروف الحرارة نفسها كما في الإعداد حرارة مثالية.

ولكن ليس من الضروري للحد من حساب دور كفاءة صيغة لدورة كارنو، كما هو الحال، يصبح نقطة مرجعية في عملية لتحسين كفاءة المحركات الحقيقية.

طرق لتغيير الكفاءة

من خلال المقارنة بين محركات الحرارة المثالية والفعلية، وتجدر الإشارة إلى أن درجة حرارة الأخيرة من الثلاجة لا يمكن أن يكون تعسفيا. عادة الثلاجة يعتقدون أن الغلاف الجوي. لأخذ درجة حرارة الغلاف الجوي يمكن حسابات فقط تقريبية. وتظهر التجربة أن درجة حرارة المبرد هو غاز العادم في محركات، كما يحدث في محركات الاحتراق الداخلي (مختصر النحو DVS).

DIC - الأكثر شيوعا في عالمنا من حرارة المحرك. كفاءة حرارة المحرك في هذه الحالة يعتمد على درجة الحرارة التي تم إنشاؤها عن طريق حرق الوقود. الفارق الجوهري من المحركات البخارية DIC هو ظائف سخان الانصهار والجسم جهاز العاملة في خليط الهواء والوقود. حرق خليط يخلق ضغطا على الأجزاء المتحركة من المحرك.

رفع درجة حرارة الغاز العاملة يتحقق، وتغيير كبير في خصائص الوقود. لسوء الحظ، فإنه من المستحيل أن تفعل بلا حدود. أي مواد البناء للغرفة محرك الاحتراق ديها نقطة انصهاره. المقاومة الحرارية لهذه المواد - السمة الأساسية للمحرك، وكذلك تؤثر تأثيرا كبيرا على كفاءة.

كفاءة المحرك القيم

وإذا نظرنا إلى التوربينات البخارية، ودرجة حرارة البخار مدخل العمل والتي تساوي 800 K، والغاز العادم - 300 K، وكفاءة الجهاز تساوي 62٪. في الواقع، ومع ذلك، لا تتجاوز هذه القيمة 40٪. يحدث نتيجة لفقدان الحرارة خلال السكن التدفئة التوربينات هذا التخفيض.

لا يتجاوز أعلى قيمة كفاءة محركات الاحتراق الداخلي 44٪. زيادة هذه القيمة - مسألة المستقبل القريب. تغيير خصائص المواد والوقود - وهذا هو مشكلة أكثر من التي توظف أفضل العقول البشرية.