Что является кпд теплового двигателя
Что является кпд теплового двигателя
Проект 37.
Тепловой двигатель с термодинамическим циклом без предварительного сжатия и КПД более 50%.
Велицко В.В.
Все применяемые в настоящее время термодинамические циклы, по которым работают серийно производимые тепловые двигатели, в частности – двигатели внутреннего сгорания (ДВС), требуют предварительного сжатия рабочего тела или горючей смести, перед тем, как к ним будет подведена или выделена из них энергия, в камере сгорания или, например, в паровом котле. Указанный принцип работы тепловых двигателей реализован в двигателях, работающих по таким циклам, как цикл Отто, циклы Дизеля или Тринклера, цикл Брайтона, по которому работают газотурбинные установки (ГТУ), или цикл Ренкина, по которому работают паросиловые установки. Недостатком данных циклов является то, что необходимая максимальная степень расширения продуктов или иного рабочего тела сгорания в процессе совершения работы, требует предварительного повышения давления, т.к. без этого КПД такого двигателя будет сопоставим с КПД двигателя Ленуара, работавшего без предварительного сжатия топливовоздушной смеси.
Данная проблема отчасти нашла решение в т.н. циклах с внутренними охлаждением – циклах Миллера и Аткинсона, степень расширения продуктов сгорания в которых превосходит степень предварительного сжатия топливовоздушной смеси. Однако данные двигатели (поршневые двигатели внутреннего сгорания – ПДВС) так и не смогли решить проблему эффективной теплоутилизации, т.к. отходящие газы ПДВС имеют высокую температуру, составляющую 400°С и более.
Наиболее остро проблема рекуперации энергии стоит в газотурбинных установках, которые, в связи с высокими коэффициентами избытка воздуха, составляющим 3 и более, требуют крайне эффективной утилизации тепла отходящих газов посредством рекуперативного теплообменника на подогрев воздуха за компрессором перед подачей воздуха в камеру сгорания. Это позволяет минимизировать расход горючего в камере сгорания двигателя.
Однако принципиально нерешенной является задача полной утилизации тепла отходящих газов по той причине, что в процессе сжатия как в компрессоре ГТУ, так и в цилиндре ПДВС, воздух нагревается до температуры в сотни градусов, что позволяет даже в противоточном рекуперативном теплообменнике передать свежему рабочему телу незначительную часть тепла отходящих газов. Вследствие этого мощные установки, такие как стационарные ГТУ или ПДВС комплектуются дополнительными паросиловыми ступенями, в которых используются различные теплоносители, начиная с воды и заканчивая фреонами, что позволяет, в соответствии с циклом Карно, снизить температуру отвода тепла вовне, а следовательно – увеличить общий механический КПД энергетического комплекса. Попытки объявить, что существенную роль играет коэффициент полезного использования (КПИ) топлива, составляющий в ДВС, в частности в ГТУ и ПДВС, до 90% и состоящий из механического КПД, составляющего до 40% у ГТУ и до 55% у ПДВС плюс КПД системы теплоутилизации, не обоснованы, т.к. в первую очередь важен именно механический КПД системы.
Например, в условиях России, разница между стоимостью автономно выработанной электроэнергии и теплом составляет порядка десяти крат, тогда как, например, в условиях Евросоюза, указанная разница трѐхкратно выше в пользу электроэнергии. В данной связи видно, что стоимость выработанной тепловой энергии, хотя и необходимо учитывать, но еѐ стоимость не является существенной, а для условий России – и пренебрежимо мала к стоимости выработанной механической мощности или выработанной электроэнергии.
Достигнутый механический КПД в 55% для тепловых двигателей простого цикла, какими являются как ПДВС, так и ГТУ является практически предельным и не может быть существенно улучшен с сохранение существующих термодинамических циклов. Некоторое улучшение КПД, как указано выше, путѐм усложнения эксплуатации и увеличения стоимости основных фондов возможен в бинарном цикле (парогазовый цикл) или в монарном цикле (впрыск воды в продукты сгорания), однако указанные циклы практически неприемлемы для маломощных стационарных и транспортных установок.
Решение слоившейся тупиковой ситуации с ростом КПД тепловых двигателей лежит в сфере разработки тепловых циклов двигателей, не требующих предварительного сжатия рабочего тела, что позволит эффективно утилизировать, практически все тепло отходящих газов и возвращать его в тепловой двигатель. Для решения данной задачи разработаны тепловые двигатели с конвейерными регенеративными установками, теоретически позволяющие достигать КПД, вплотную приближающийся к КПД цикла Карно для имеющихся условий, что позволяет получать максимальный эксергетический коэффициент. Недостатком предложенных регенеративных циклов является техническая нереализуемость, связанная как со сложностью изготовления, так и с большим числом нерешѐнных проблем, в частности – с невозможностью осуществлять эффективный газообмен в связи с отсутствием предварительного сжатия рабочего тела.
Предложенное решение по созданию бескомпрессионного ДВС представляет собой двигатель, в значительной степени базирующийся на стандартном оборудовании, таком как газовые турбины или модернизированные ПДВС. Принцип работы ДВС базируется на изменении энтальпии рабочего тела при глубокой рекуперации тепла, при которых не требуется предварительное сжатие рабочего тела, что позволяет снять ограничение КПД двигателя, обусловленное высокой температурой рабочего тела за нагнетателем (компрессором).
Предложенный двигатель реализует термодинамический цикл без предварительного сжатия рабочего тела, что позволяет при более высокой удельной массе двигателя, составляющей в зависимости от мощности 25-30 кг/кВт, реализовывать высокую степень рекуперации тепла, позволяющую осуществлять рабочий цикл практически с неизменным КПД более 50% вне зависимости от применяемых видов топлив.
Данная технология, имея высокую степень совместимости с производимым в настоящий момент оборудованием, может быть реализована на ГТУ и паротурбинных (ПТУ) ТЭЦ, что, в зависимости от режимов работы ГТУ и ПТУ установок может позволить получить увеличение механического КПД на 2-4%. Практическое освоение предложенной технологии бескомпрессионных ДВС с применением классических компонентов современных ГТУ и ПТУ может быть реализовано в период 10-15 мес. после начала финансирования
>>Физика: Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо еще уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта , тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели . Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.
Принципы действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T 1 температурой нагревателя.»
Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) 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 горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.11.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 совершает работу A ´ и передает холодильнику количество теплоты Q 2 Q 2
Q 2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2
Физика. 10 класс
§ 15. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей
Люди давно заметили, что при совершении механической работы внутренняя энергия тел может изменяться, и научились это использовать. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больший промежуток времени понадобился человечеству, чтобы научиться использовать убыль внутренней энергии тел для совершения механической работы. Только во второй половине ХVIII в., сравнительно недавно по историческим меркам, появились первые практически полезные универсальные устройства для осуществления этой цели — паровые машины. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых убыль внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.
Необратимость процессов в природе. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. Как вы не раз убеждались на практике, всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай–ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой во всех частях системы.
Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г., о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, получило название второго закона термодинамики.
Второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым.
Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.
Интересно знать
В холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника.
§5.12. МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Из-за того что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД двигателей не может равняться единице. Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем температуры Тг и холодильником температуры Т2.
Идеальная тепловая машина Карно
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Все процессы в машине Карно рассматриваются как равновесные (обратимые).
В машине осуществляется круговой процесс или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние. Цикл Карно состоит из двух изотерм и
двух, адиабат (рис. 5.16). Кривые 1 —2 и 3—4 — это изотермы, а 2—3 и 4—1 — адиабаты.
Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окру-жающими телами. Далее следует
изотермическое сжатие газа при о
температуре Т2. Газ отдает в этом рис g jg
процессе холодильнику количество теплоты Q2• Наконец газ сжимается адиабатно и возвращается в начальное состояние.
При изотермическом расширении газ совершает работу > 0, равную количеству теплоты При адиабатном рас-ширении 2—3 положительная работа А’3 равна уменьшению внутренней энергии при охлаждении газа от температуры 7 до температуры Т2: А’3 = -AU12 = ЩТХ) — U (Т2).
Изотермическое сжатие при температуре Т2 требует совершения над газом работы А2. Газ совершает соответственно отри цательную работу А 2
Q2. Наконец, адиабатное сжатие требует совершения над газом работы А4 = AU21. Работа самого
Карно Никола Леонар Сади (1796— 1832) — талантливый французский инженер и физик, один из основателей термодинамики.
бота газа при двух адиабатных процессах равна нулю.
За цикл газ совершает работу
А’= А[ + A’2=Q1 + Q2 = IQJ — |Q2|. (5.12.1)
Эта работа численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла (заштрихована на рис. 5.16).
Для вычисления коэффициента полезного действия нужно вычислить работы при изотермических процессах 1—2 и 3—4. Расчеты приводят к следующему результату:
(5.12.2) Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к абсолютной температуре нагревателя.
Можно выразить работу, совершаемую машиной за цикл, и количество отданной холодильнику теплоты Q2 через КПД ма-шины и полученное от нагревателя количество теплоты Согласно определению КПД
Л’ = л 0- Такое количество теплоты получает рабочее тело от холо-дильника.
Холодильная машина работает как тепловой насос . Горячему телу передается количество теплоты Qj, большее того ко- личества, которое забирается от холодильника. Согласно фор-муле (5.12.7) Q2 = ^ -А = -Qj — А. Отсюда
Эффективность холодильной машины определяется отно-
шением є = —г, так как ее назначение отнимать как можно
большее количество теплоты от охлаждаемой системы при совершении как можно меньшей работы. Величина є называется холодильным коэффициентом. Для идеальной холодильной машины согласно формулам (5.12.7) и (5.12.2)
т. е. холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, от которого отбирается теплота. Очевидно, холодильный коэффициент может быть больше единицы. Для реальных холодильников он более трех. Разновидностью холодильной машины является кондиционер, который забирает теплоту из комнаты и передает ее окружающему воздуху.
При отоплении помещений электрообогревателями энергетически выгоднее использовать тепловой насос, а не просто нагреваемую током спираль. Насос дополнительно будет передавать в помещение количество теплоты Q2 из окружающего воздуха. Однако это не делают из-за дороговизны холодильной установки по сравнению с обычной электрической печкой или камином.
При использовании теплового насоса практический интерес представляет количество теплоты Qj, получаемое нагреваемым телом, а не количество теплоты Q2, отдаваемое холодному телу.
зываемый отопительный коэффициент ?от= .
Для идеальной машины, учитывая соотношения (5.12.6) и (5.12.2), будем иметь Єот=т^V’ (5.12.10)
где 7’1 — абсолютная температура нагреваемого помещения, а Г2 — абсолютная температура атмосферного воздуха. Таким образом, отопительный коэффициент всегда больше единицы. Для реальных устройств при температуре окружающей среды t2 = 0 °С и температуре помещения t-l = 25 °С єот = 12. В помещение передается количество теплоты, почти в 12 раз превышающее количество затраченной электроэнергии.
Максимальный КПД тепловых машин
Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.
Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики , следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Tt и холодильником температуры Т2, не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.
Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по об-ратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т1ъТ2.
Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) г’ > Г|. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина — по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5)
Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q2 = Q2.
Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа
Так как по условию Г|’ > т|, то А’ > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы.
Если допустить, что Т| > Т|’, то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно — по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: г|’ = Г|.
Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить Г)’ > Г), то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение Г)’
