КПД теплового двигателя — Технарь

Всякий тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, так как газ или пар, совершив работу, выходит из двигателя, обладая еще энергией.

Для оценки теплового двигателя очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, он превращает в полезную работу. Чем эта часть больше, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя (КПД).

Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, но всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Например, если двигатель из всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть, то говорят, что коэффициент полезного действия двигателя равен 1/4 или 25%, так как КПД обычно выражают в процентах.

КПД двигателя всегда меньше единицы, т. е. меньше 100%. Это следует из закона сохранения энергии. Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — около 30%.

Увеличение числа автомашин, особенно в городах, приводит к сильному загрязнению атмосферы выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Эти газы вредны для живых организмов, кроме того, они вызывают порчу ценных архитектурных сооружений.

Борьба с загрязнением атмосферы в настоящее время является серьезной государственной задачей.

Наиболее эффективный способ борьбы — замена двигателей внутреннего сгорания электрическими двигателями. Необходимые для этих машин источники тока должны обладать большими запасами энергии, над созданием таких источников тока работают ученые.

Чтобы, существующие автомашины меньше загрязняли воздух, их двигатели должны быть всегда исправны и работать на том виде топлива, на которое они изготовлены. За этим всем нам следует тщательно следить.

Вопросы.

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
2. Что называют КПД теплового двигателя?
3. Может ли двигатель иметь КПД, равный 100%? Почему?
4. Назовите коэффициенты полезного действия современных тепловых двигателей.

Задание.

Приготовьте доклады на темы:

1. История изобретения паровых машин.
2. История изобретения турбин.
3. Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
4. Достижения советской науки и техники в строительстве паровых турбин.
5. Использование энергии Солнца на Земле (прочтите об этом параграф в конце учебника).

Метки: внутренняя энергиядвигательдвигатель внутреннего сгораниякоэффициент полезного действияКПДмеханическая энергияпарпаровая машинапаровозыработаработа двигателятеплотепловая энергияТепловой двигательтопливотурбинаэлектрический двигательэнергия

Принцип действия и КПД тепловых двигателей.

Физика. 10 класс. — Паровая турбина.КПД теплового двигателя.

Комментарии преподавателя

Прин­цип дей­ствия теп­ло­во­го дви­га­те­ля

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

• На­гре­ва­тель
• Ра­бо­чее тело
• Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нём пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Ротор паровой турбины

Схема устройства простейшей паровой турбины приведена на рисунке 28. На вал 5 насажен диск 4, по ободу которого закреплены лопатки 2. Около лопаток расположены трубы — сопла 1, в которые поступает пар 3 из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

Схема паровой турбины

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

На электростанциях с турбиной соединён генератор электрического тока. Частота вращения вала турбин достигает 3000 оборотов в минуту, что является очень удобным для приведения в движение генераторов электрического тока.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт.

Применяют турбины на тепловых электростанциях и на кораблях.

Постепенно находят всё более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

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

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

1. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
2. В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
4. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
5. Что называют КПД теплового двигателя?
6. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?

Задание 2. Решить задачи.

☝    При равномерном перемещении груза массой 30 кг по наклонной плоскости была приложена сила 80 Н.  Вычисли КПД плоскости, если ее длина 3,6 м, а высота – 60 см.

☝    Какова длина наклонной плоскости, если при перемещении груза массой 1 кг была приложена сила 5 Н? Высота наклонной плоскости 0,2 м, а КПД 80%.

☝    Груз массой 300 кг подняли с помощью рычага на высоту 0,5 м. При этом к длинному плечу рычага была приложена сила 500 Н, а точка приложения силы опустилась на 4 м. Вычислите КПД рычага.

☝    Какая сила была приложена к длинному плечу рычага с КПД 40%, если груз массой 100 кг был поднят на высоту 10 см, а длинное плечо рычага опустилось на 50 см?

ИНТЕРЕСНО

1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.

2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди.

Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.

К занятию прикреплен файл  «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники: 

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
• http://www.youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
• http://www.youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
• http://www.youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw
  
   

КПД тепловой машины

Тепловая машина — это машина, преобразующая тепловую энергию в механическую работу. Двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и паровые турбины являются некоторыми примерами тепловых двигателей. Теплота используется всеми этими двигателями для производства полезной механической работы. В этой статье мы рассмотрим эффективность тепловой машины и вопросы, связанные с эффективностью тепловой машины, в соответствии с заметками об эффективности тепловой машины.

Тепловой машиной может называться любое оборудование, способное преобразовывать энергию в полезную работу. Например, при сжигании угля на воздухе высвобождается часть его химической энергии. Тепло, выделяющееся в процессе сгорания, может быть использовано для нагрева воды в котле и для питания турбины. Это, в свою очередь, приводит в действие генератор, который производит электричество.

Преобразование химической энергии в электрическую неэффективно. По мере удаления отходящего тепла из системы на каждом этапе происходит потеря некоторой энергии.

Как работает тепловой двигатель?

Для преобразования тепла в работу в тепловом двигателе используется рабочее вещество, такое как вода или бензин. Только при перемещении тепла из высокотемпературного резервуара в низкотемпературный резервуар становится доступной механическая энергия для преобразования в полезную работу. Однако из-за того, что часть тепла теряется в холодном резервуаре, не вся подведенная теплота будет преобразована в полезную работу.

Рабочее тело, горячий и холодный резервуары — три основных компонента двигателя. Двигатель функционирует благодаря рабочему телу, которым может быть жидкость или газ. Горячий резервуар получает подвод тепла, а холодный резервуар получает тепловыделение или избыточное тепло.

Что такое PV-диаграмма?

Диаграммы PV являются основным инструментом визуализации для изучения тепловых двигателей. Поскольку двигатели обычно используют газ в качестве рабочего тела, закон идеального газа связывает диаграмму PV с температурой, позволяя отслеживать три основные переменные состояния газа на протяжении всего цикла двигателя. Поскольку работа выполняется только при изменении объема газа, диаграмма дает наглядное представление о выполненной работе.

Внутренняя энергия идеального газа зависит от температуры, поэтому диаграмма PV вместе с температурами, рассчитанными по закону идеального газа, фиксируют изменения внутренней энергии газа, позволяя определить количество подведенного тепла с помощью первый закон термодинамики.

КПД тепловой машины 

КПД тепловой машины определяется как отношение разницы температур между горячим источником и поглотителем к температуре горячего источника. Он также известен как тепловой КПД теплового двигателя. Полный КПД тепловой машины достижим, если разница между горячим и холодным резервуарами наибольшая. Нет единицы эффективности.

Тепловой КПД одной тепловой машины может отличаться от другой. Давайте посмотрим на надежные тепловые двигатели и их эффективность, чтобы лучше понять это.

Ниже приведены КПД различных тепловых двигателей: 

• Бензиновые двигатели в автомобилях имеют КПД почти 25%.
• Точно так же угольные электростанции имеют КПД всего 49%.

Какова формула КПД тепловой машины?

Поскольку эффективность тепловой машины представляет собой долю произведенного тепла и полезной работы, ее можно выразить с помощью формулы и символа. Формула эффективности тепловой энергии:

n = WQ1

В этой формуле

W = работа, совершаемая двигателем

Q1 = тепло, поступающее от источника

После каждого цикла тепловая машина возвращается к исходной стадии.

∆U = 0

Из рисунка видно, что:

W = Q1 – Q2

Итак, КПД тепловой машины

n = Q1 – Q2/Q1

n = 1 – Q2/ Q1

Итак, при Q = 0 КПД будет 100%, но это невозможно, так как в системе будут некоторые потери энергии. В результате у каждого двигателя есть ограничение по КПД. Реверсивный двигатель, такой как тепловой двигатель Карно, имеет самый высокий КПД.

Типы тепловых двигателей 

Многие типы тепловых двигателей работают по формулам эффективности тепловых двигателей. Некоторые из них перечислены ниже:

Паровой двигатель

Паровые двигатели работают на паре, образующемся при сгорании угля, нефти или газа. Образовавшийся пар поступает во впускной клапан, позволяя поршню в двигателе двигаться. Движение двигателя производит полезную механическую работу. Газы выходят из выпускного клапана, когда поршень возвращается в исходное положение. После этого она охлаждается в низкотемпературном резервуаре, и вода может быть повторно использована и снова подогрета, чтобы начать следующий цикл.

Двигатель внутреннего сгорания

Эти двигатели наиболее широко используются. Четыре ступени двигателя внутреннего сгорания изображены на схеме. Газовоздушная смесь стремится попасть во впускной клапан по мере опускания поршня. При движении поршня вверх смесь сжимается. Свеча зажигания воспламеняет сжатый воздух, в результате чего газ быстро нагревается. Затем газ расширяется, заставляя поршень двигаться вниз. Сгоревшие газы выдавливаются из выпускного клапана, когда он снова поднимается. При поступлении в цилиндр новой порции газовоздушной смеси цикл повторяется.

Заключение

Тепловые двигатели – это устройства, преобразующие тепловую энергию в механическую. Эти двигатели работают с эффективностью около 30%-50%. В этой статье объясняется эффективность теплового двигателя в соответствии с примечаниями по эффективности теплового двигателя.

термодинамика — Каков КПД настоящих тепловых двигателей?

Самые эффективные тепловые двигатели всегда самые большие и самые медленные. Для паровой турбины «самая медленная работа» означает наличие множества ступеней турбины, так что работа извлекается из пара, поскольку он «медленно» расширяется на многих ступенях, выполняя небольшую работу по сравнению со многими ступенями турбины. Высокая термическая стабильность очень большой системы означает, что может поддерживаться большая разница между верхней и нижней температурами резервуара и, следовательно, высокий потенциальный КПД Карно. Эффективность поршневого двигателя обычно повышается, если заставить его работать очень медленно: максимум одна или две герца.

Вики-страница о пароэлектростанциях указывает, что фактический КПД больших паровых электростанций составляет от 33% до 48%. Предполагая, что паровая турбина может работать при температуре, скажем, 100°C (373K), если бы 48% были близки к эффективности Карно, это означало бы верхнюю температуру пласта $T_{max}$, определяемую как:

$$1-\frac{T_ {min}}{T_{max}} = \eta \Leftrightarrow T_{max} = \frac{T_{min}}{1-\eta} = \frac{373}{1-0,48} = 720K$$

Это несколько ниже того, до чего современная техника может перегреть пар; из статьи:

В. Ганапати, «Пароперегреватели: дизайн и производительность», Hydrocarbon Processing, июль 2001 г.

Я подобрал грубые температуры 1300K (2000F) как находящиеся в пределах досягаемости лучистого пароперегревателя. Это подразумевает эффективность Карно

$$\eta = 1-\frac{T_{min}}{T_{max}} = 1-\frac{373}{1300} = 71\%$$

Итак может показаться, что даже при такой высокой эффективности мы работаем ниже эффективности Карно. На этом этапе было бы хорошо получить информацию от технолога-энергетика, чтобы уточнить некоторые из этих цифр.

Самый большой двигатель внутреннего сгорания на Земле — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, двухтактный четырнадцатицилиндровый монстр мощностью 750 МВт, используемый для питания корабля Emma Maersk. В спецификациях производителя указан тепловой КПД более 50%, который они явно определяют как выходную мощность, деленную на свободную энергию реакции горения топлива. Как мы видели выше, это означало бы верхнюю температуру резервуара порядка $700K$, если бы она достигала эффективности Карно, что все же несколько ниже, чем вероятная начальная температура продуктов сгорания. 9o{\rm F}$), и это должно быть значение, которое мы принимаем в качестве верхней температуры резервуара. Я принял верхнюю температуру резервуара за температуру излучения в пароперегревателе ($1300{\rm K}$), полагая, что разница между температурой газа и температуры излучения является неэффективностью, которую необходимо учитывать. Однако, по-видимому, мы можем думать о печи как о системе, которая закрыта, кроме подвода тепла и выхода пара, и что никакая другая энергия не теряется или почти не теряется из системы печи. По совпадению, 850 {\ rm K} $ — это также температура, которую современные нержавеющие стали, используемые в лопатках турбин, могут выдерживать в течение длительного времени без ползучести (см. Раздел «Эффективность» на странице Steam Engine Wiki). Кроме того, можно с полным основанием утверждать, что вопрос можно рассматривать как вопрос об эффективности одной турбины, а не системы печь-турбина. При этом разумным предположением будет $T_{max}=850{\rm K}$. 9o{\rm C}$ : скажем, 300 тысяч долларов.

При этих цифрах потенциальный КПД нашей турбины по Карно будет равен:

$$\eta = 1-\frac{T_{min}}{T_{max}} = 1-\frac{300}{850} = 65 \%$$

, что для системы на верхнем конце шкалы [оценки Википедии от $33\%$ до $48\%$]((http://en.wikipedia.org/wiki/Steam-electric_power_station ), подразумевает эффективность работы (выход работы по сравнению с эффективностью Карно)

$$0,5/0,65 = 77\%$$

Так что я бы предположил, что это довольно хороший ответ и наиболее близкий к ответу, который вы собираетесь получить на этом форуме, если только мы не получим известие от технолога-энергетика. Так что паровые турбины работают довольно хорошо. Интересно, что если использовать приведенную вами «экспериментальную» формулу Новикова, то мы предсказываем эффективность в этих условиях

$$1-\sqrt{\frac{300}{850}} = 41\%$$

, так что это немного пессимистично для современной паровой турбины, которая является образцом современной эффективности тепловых двигателей, при этом большое количество исследований связано со сложным компьютерным управлением сверхкритическими пароперегревателями и печами.