Efikasiteti termik. Efikasiteti i motorit të nxehtësisë - formula

Realitetet moderne supozojnë një shfrytëzim të gjerë të motorëve termikë. Përpjekje të shumta për t'i zëvendësuar ato me motorë elektrikë kanë dështuar deri tani. Problemet që lidhen me akumulimin e energjisë elektrike në sistemet autonome, zgjidhen me vështirësi të mëdha.

Problemet e teknologjisë së prodhimit të baterive të energjisë elektrike janë ende të rëndësishme, duke marrë parasysh përdorimin e tyre afatgjatë. Karakteristikat e shpejtësisë së automjeteve elektrike janë larg atyre të makinave me motorë me djegie të brendshme.

Hapat e parë për të krijuar motorë hibride mund të ulin ndjeshëm emetimet e dëmshme në megacities, zgjidhjen e problemeve mjedisore.

Pak histori

Mundësia e konvertimit të energjisë së avullit në energjinë e lëvizjes ishte e njohur në kohët e lashta. 130 BC: Filozofi Heron i Aleksandrisë paraqiti një lodër me avull - eolipil - tek audienca. Sfera, e mbushur me avull, erdhi në rotacion nën veprimin e avionëve që dilnin prej saj. Ky prototip i turbinave moderne të avullit në ato ditë nuk e gjetën aplikimin.

Gjatë viteve dhe shekujve të zhvillimit të filozofit u konsideruan vetëm një lodër zbavitës. Në vitin 1629 italiani D. Branci krijoi një turbinë aktive. Avulli vendosur në lëvizje një disk të pajisur me blades.

Nga ky moment filloi zhvillimi i shpejtë i motorëve me avull.

Makinë termike

Transformimi i energjisë së brendshme të karburantit në energjinë e lëvizjes së pjesëve të makinerive dhe mekanizmave përdoret në makineritë termike.

Pjesët kryesore të makinave janë një ngrohës (një sistem për marrjen e energjisë nga jashtë), një trup pune (kjo bën një efekt të dobishëm), një frigorifer.

Ngrohësja është projektuar për të lejuar trupin e punës të grumbullojë një furnizim të mjaftueshëm të energjisë së brendshme për të kryer punë të dobishme. Frigorifer heq energji të tepërt.

Karakteristika kryesore e efikasitetit është efikasiteti i makinave termike. Kjo vlerë tregon se sa energji e shpenzuar për ngrohje është shpenzuar në kryerjen e punës së dobishme. Sa më e lartë të jetë efikasiteti, aq më mirë performanca e makinës, por kjo vlerë nuk mund të kalojë 100%.

Llogaritja e efikasitetit

Lërini ngrohësit të fitojnë nga jashtë energjia e barabartë me Q _{1 .} Trupi punues ka punuar A, ndërsa energjia e dhënë në frigorifer ishte Q2 _.

Bazuar në përkufizimin, llogaritet vlera e efikasitetit:

Η = A / Q ₁ . Ne marrim parasysh se A = Q ₁ - Q _2.

Prandaj, efikasiteti i një motori nxehtësie, formula e të cilit ka formën η = (Q ₁ - Q ₂ ) / Q ₁ = 1 - Q ₂ / Q _1, na lejon të nxjerrim konkluzionet e mëposhtme:

• Efikasiteti nuk mund të kalojë 1 (ose 100%);
• Për të maksimizuar këtë vlerë, ose është e nevojshme një rritje në energjinë e marrë nga ngrohës ose një rënie në energjinë e dhënë në frigorifer;
• Rritja e energjisë së ngrohës për të arritur një ndryshim në cilësinë e karburantit;
• Zvogëlimi i energjisë i dhënë në frigorifer, lejon të arrijë karakteristikat e projektimit të motorëve.

Motori ideal i nxehtësisë

A është e mundur të krijohet një motor i tillë, efikasiteti i të cilit do të ishte maksimal (idealisht - i barabartë me 100%)? Një fizikan teorik francez dhe inxhinier i talentuar Sadi Carnot u përpoqën të gjenin një përgjigje për këtë pyetje. Në 1824, llogaritë e tij teorike të proceseve që ndodhën në gazra u bënë publike.

Ideja kryesore e ngulitur në një makinë ideale mund të konsiderohet si proces i kthyeshëm me një gaz ideal. Fillojmë me zgjerimin e gazit në mënyrë isotermike në temperaturën T1. Sasia e nxehtësisë e kërkuar për këtë është Q _1. Pas Gazi pa shkëmbimin e nxehtësisë zgjerohet (procesi adiabatic). Duke arritur temperaturën T2, gazi është i ngjeshur izotermik, duke transferuar energjinë Q ₂ në frigorifer. Kthimi i gazit në gjendjen e tij origjinale bëhet adiabatikisht.

Efikasiteti i një motor ideal Carnot termik për llogaritjen e saktë është e barabartë me raportin e ndryshimit të temperaturës midis pajisjeve të ngrohjes dhe ftohjes në temperaturën që ka ngrohësi. Duket kështu: η = (T ₁ - T ₂ ) / T _1.

Efikasiteti i mundshëm i një makine termike, formula e së cilës ka formën: η = 1 - T ₂ / T ₁ , varet vetëm nga temperatura e ngrohës dhe e ftohësit dhe nuk mund të jetë më shumë se 100%.

Për më tepër, kjo marrëdhënie na lejon të provojmë se efikasiteti i makinave termike mund të jetë i barabartë me unitetin vetëm kur frigorifer arrin zero temperatura absolute . Siç e dini, kjo vlerë është e paarritshme.

Llogaritjet teorike të Carnot-it na lejojnë të përcaktojmë efikasitetin maksimal të një makine termike të çdo dizajni.

Teorema e provuar nga Carnot është si më poshtë. Një makinë termike arbitrare në çfarëdo kushti nuk është e aftë të ketë një efikasitet më të madh se ai i një motori ideal të nxehtësisë.

Shembull i zgjidhjes së problemeve

Shembull 1. Cila është efikasiteti i një makine ideale termike, nëse temperatura e ngrohësit është 800 ° C dhe temperatura e frigoriferit është 500 ^° C më e ulët?

T ₁ = 800 në = 1073 K, ΔT = 500 në = 500 K, η -?

zgjidhje:

Nga përkufizimi: η = (T ₁ - T ₂ ) / T _1.

Nuk na jepet temperatura e frigoriferit, por ΔT = (T ₁ - T ₂ ), prandaj:

Η = ΔT / T ₁ = 500 K / 1073 K = 0.46.

Përgjigje: Efikasiteti = 46%.

Shembull 2. Përcaktoni efikasitetin e një makine ideale termike nëse në kurriz të një kilojoule të blerë të energjisë ngrohës, është bërë një punë e dobishme prej 650 J. Cila është temperatura e ngrohës i motorit të nxehtësisë nëse temperatura e ftohësit është 400 K?

Q ₁ = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η-β, T1 =?

zgjidhje:

Në këtë problem ne po flasim për një instalim termik, efikasiteti i të cilit mund të llogaritet nga formula:

Η = A / Q _1.

Për të përcaktuar temperaturën e ngrohës, ne përdorim formulën për efikasitetin e një makine ideale termike:

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

Kryerja e transformimeve matematikore, marrim:

T ₁ = T ₂ / (1 - η).

T ₁ = T ₂ / (1-A / Q ₁ ).

Ne llogarisim:

H = 650 J / 1000 J = 0.65.

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

Përgjigjja është: η = 65%, T ₁ = 1142.8 K.

Kushtet reale

Motori ideal i nxehtësisë është projektuar duke marrë parasysh proceset ideale. Puna bëhet vetëm në proceset izotermale, madhësia e saj përcaktohet si zona e kufizuar nga grafiku i ciklit Carnot.

Në fakt, është e pamundur të krijohen kushte për procesin e ndryshimit të gjendjes së gazit pa ndryshime të temperaturës shoqëruese. Nuk ka materiale që do të përjashtonin shkëmbimin e nxehtësisë me objektet përreth. Procesi adiabatik është i pamundur. Në rastin e shkëmbimit të nxehtësisë, temperatura e gazit duhet domosdoshmërisht të ndryshojë.

Efikasiteti i makinave termike të krijuara në kushte reale është shumë ndryshe nga efikasiteti i motorëve idealë. Vëmë re se procesi në motorët e vërtetë është aq i shpejtë sa ndryshimi i energjisë së brendshme termike të substancës së punës gjatë procesit të ndryshimit të volumit të tij nuk mund të kompensohet nga fluksi i nxehtësisë nga ngrohësi dhe kthimi në frigorifer.

Motorë të tjerë termalë

Motorët e vërtetë punojnë në cikle të tjera:

• Cikli i Otto: procesi për një volum të pandryshuar ndryshon adiabatikisht, duke krijuar një cikël të mbyllur;
• Diesel cikli: isobar, adiabat, isochor, adiabat;
• Turbina me gaz: një proces që zhvillohet me një presion të vazhdueshëm, zëvendësohet me një proces adiabatik, mbyll ciklin.

Për të krijuar procese të ekuilibrit në motorët e vërtetë (për t'i përafruar ato me ato ideale) në kushtet e teknologjisë moderne nuk është e mundur. Efikasiteti i makinave termike është shumë më i ulët, madje duke marrë parasysh të njëjtat kushte të temperaturës si në një instalim ideal ngrohjes.

Por mos e zvogëloni rolin e formulës së dizenjimit për efikasitetin e ciklit Carnot, pasi ai bëhet pika referuese në procesin e punës për rritjen e efikasitetit të motorëve realë.

Mënyrat e ndryshimit të efikasitetit

Duke bërë krahasimin e motorëve idealë dhe realë, vlen të përmendet se temperatura e frigoriferit nuk mund të jetë. Zakonisht një frigorifer konsiderohet një atmosferë. Temperatura e atmosferës mund të pranohet vetëm në llogaritjet e përafërta. Përvoja tregon se temperatura e frigoriferit është e barabartë me temperaturën e gazeve të shkarkimit në motorë, siç është rasti me motorët me djegie të brendshme (shkurtuar tek ICE).

ICE është makina termike më e zakonshme në botën tonë. Efikasiteti i motorit të nxehtësisë në këtë rast varet nga temperatura e krijuar nga karburantet djegëse. Një ndryshim i rëndësishëm midis ICE dhe motorëve me avull është bashkimi i funksioneve të ngrohësit dhe trupit të punës të pajisjes në një përzierje ajri-karburant. Djegia, përzierja krijon presion mbi pjesët në lëvizje të motorit.

Janë arritur ritje në temperaturën e gazeve të punës, duke ndryshuar dukshëm vetitë e karburantit. Për fat të keq, është e pamundur ta bëjmë këtë pa kufizime. Çdo material nga i cili prodhohet dhoma e djegies së motorit ka një pikë shkrirjeje. Rezistenca e nxehtësisë e materialeve të tilla është karakteristika kryesore e motorit, si dhe mundësia për të ndikuar ndjeshëm në efikasitet.

Vlerat e efikasitetit të motorit

Nëse marrim parasysh një turbinë me avull me një temperaturë hyrje të avullit prej 800 K dhe një gaz shkarkimi prej 300 K, efikasiteti i kësaj makine është 62%. Në realitet, kjo vlerë nuk kalon 40%. Një zvogëlim i tillë ndodh për shkak të humbjeve termike kur strehimi i turbines është ndezur.

Vlera më e lartë e efikasitetit të motorëve me djegie të brendshme nuk tejkalon 44%. Rritja e kësaj vlere është çështje e së ardhmes së afërt. Ndryshimi i vetive të materialeve, lëndëve djegëse është një problem mbi të cilin punojnë njerëzit më të mirë të njerëzimit.