Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 3

§ 5.12. максимальный кпд тепловых двигателей

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

  1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
  2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.

Тепловой двигатель

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателярабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q2, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q1-Q2, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.
Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q1 и передает нагревателю большее количество теплоты Q2.

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 и изотермически расширяется при температуре T1участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T2участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T1.Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела
для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

  • Вид топлива.
  • Способ образования топливно-воздушной смеси.
  • Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки . На участке цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_{1}$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии . На участке расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_{2}$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия Состояние Описание
1-2 Изотерма
$T=T_{1}$
$dQ_{1}$
(нагревание)
$V\Uparrow$
От нагревателя поступает теплота $dQ_{1}$ (или $Q_{H}$), газ под поршнем изотермически расширяется.В начале процесса рабочее тело () имеет температуру температуру нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_{H}$ (или $Q_{1}$).
При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3 Адиабата
$dQ=0$
$V\Uparrow$
Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется.Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3-4 Изотерма
$T=T_{2}$
$dQ_{2}$
(охлаждение)
$V\Downarrow$
Газ изотермически (при $T = T_{2}$) сжимается и отдает теплоту $dQ_{2}$ холодильнику.Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_{X}$ (или $Q_{2}$).
Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4-1 Адиабата
$dQ=0$
$V\Downarrow$
Газ изолирован и адиабатически сжимается.Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой.
При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

56 Холодильный коэффициент и холодопроизводительность воздушной холодильной машины?

Для характеристикитеоретического цикла, при помощи которогоосуществляется перенос теплоты от менеенагретого тела к более нагретому, вводяттак называемый холодильныйкоэффициентцикла.

Теоретическийхолодильный коэффициент:

Количество теплотыq,отводимой в холодильной установке отохлаждаемого тела в единицу времени(чаще всего в час), называетсяхолодопроизводительностью холодильнойустановки.

Удельнойхолодопроизводительностью холодильногоагента называется теплота, отводимаяот 1 кг охлаждаемого тела (Дж/кг) (онапропорциональна площади под кривой 1-4на графике T-s)

q=h1h4,

где h1 и h4удельныеэнтальпии в состояниях в точках 1 и 4соответственно.

57. Схема и цикл парокомпрессионной холодильной машины в «p-V» координатах?

Особенностью циклакомпрессионной паровой холодильноймашины по сравнению с циклом воздушнойхолодильной машины является использованиерабочего вещества в обеих фазах — жидкойи газообразной, что делает принципиальновозможным осуществление обратногоцикла.

Процесс4-1-испарение жидкого холодильного агентапритемпературе T1и давлении P1засчет теплоты охлаждаемого тела. Со­стояниевлажного пара, засасываемого компрессором,характеризуется точкой 1. Компрессорсжимает пар адиабатически по линии 12.Состояние вточке 2соответствуетсухому насыщенному пару, а в некоторыхциклах влажному перегретому пару.

Сжатый холодильныйагент поступает далее в конденсатор,где осуществляется процесс отдачитеплоты (линии 23) при постоянном давленииP3и соответствующей ему температуреT3.

Адиабатическоерасширение жидкости по линии 34 требуетналичия расширительного цилиндра.

Схема паровой компрессионной холодильной машины 1- испаритель; 2 компрессор; 3 — конденсатор; 4-расширительный цилиндр.
Теоретический цикл паровой компрессионной холодильной машины (с насыщенным паром)

58. Схема и цикл парокомпрессионной холодильной машины в «t-s» координатах?

Сжатый в компрессоре3 до давления р1 влажный пар поступаетв охладитель

(конденсатор) 4,где за счет отдачи теплоты охлаждающейводе происходит конденсация пара.Процесс конденсации происходит поизобаре-изотерме 4—1. Жидкость придавлении р1 и температуре Т1 (точка 1 наT, s-диаграмме, направляется в дроссельный(или, как иногда говорят, редукционный)вентиль 1 где она дросселируется додавления р2.

Из редукционноговентиля выходит влажный пар притемпературе Т2 и с малой степенью сухости.Необратимый процесс дросселированияв редукционном вентиле изображен в Т,s-диаграмме линией 1-2.

После выхода изредукционного вентиля, влажный парнаправляется в помещенный в охлаждаемомобъеме испаритель 2 , где за счет теплоты,отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаясяво влажном паре жидкость испаряется;степень сухости влажного пара при этомвозрастает.

Изобарно-зотермическийпроцесс подвода теплоты к хладагентув испарителе от охлаждаемого объемаизображается в T, s-диаграмме линией 2-3.Из испарителя пар высокой степенисухости направляется в компрессор, гдеон адиабатно сжимается от давления р2до давления р1. В процессе адиабатногосжатия линия 3-4 в T, s-диаграмме

1 Дроссельный вентиль; 2- испаритель; 3- компрессор; 4- конденсатор

Бытовой холодильник

Основная идея домашнего холодильника проста: он использует испарение хладагента для поглощения тепла от охлаждаемого пространства в холодильнике. Есть четыре основные части в любом холодильнике:

  • Компрессор.
  • Трубчатый радиатор вне холодильника.
  • Расширительный клапан.
  • Теплообменные трубы внутри холодильника.

Обратный цикл Карно при работы холодильника выполняется в следующем порядке:

  • Адиабатическое сжатие. Компрессор сжимает пары хладагента, повышая их температуру и давление.
  • Изотермическое сжатие. Высокотемпературный и сжатый компрессором пар хладагента рассеивает тепло в окружающую среду (высокотемпературный резервуар) при протекании через радиатор вне холодильника. Пары хладагента конденсируются (сжимаются) в жидкую фазу.
  • Адиабатическое расширение. Жидкий хладагент протекает через расширительный клапан, чтобы уменьшить его давление.
  • Изотермическое расширение. Холодный жидкий хладагент испаряется, когда он проходит через теплообменные трубы внутри холодильника. В процессе испарения его внутренняя энергия растет, и этот рост обеспечивается отбором тепла от внутреннего пространства холодильника (низкотемпературный резервуар), в результате чего оно охлаждается. Затем газ поступает в компрессор для сжатия снова. Обратный цикл Карно повторяется.

Немного из истории…

  • Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
  • 1885 год. Карл Бенц, немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
  • 1891 год. Готлиб Даймлер, немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. Максимальная скорость автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
  • 1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Умножая эту экономию на все время, необходимое для запуска горения, и умножая его на количество цилиндров двигателя, мы сможем очень экономить топливо. Кроме того, он расширяет диапазон оборотов, в которых эти преимущества получаются, достигая того, что увеличение оборотов не предполагает больших затрат топлива. Ощущения были очень хорошими с механической коробкой передач и несколько менее заметными в автоматизации, возможно, из-за использования шестиступенчатой ​​коробки или, возможно, из-за регулировки между двигателем и коробкой передач, еще не настроенной.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Темы кодификатора ЕГЭ
: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины
преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

Однако, как нам сказали, эти машины перед испытанием все еще не имели этой гибридной системы, но с эволюцией их системы рекуперативного торможения, которая также позволяет экономить топливо, освобождая тепловой двигатель от необходимости питания батареи. для потребления электрических компонентов вашей системы.

По логике мы не знали о их присутствии на тестовых машинах, и мы не знали, будет ли это использовать напряжение 48 В, которое является общим, которое разрабатывается крупными поставщиками компонентов, а также другими брендами. Мы также проверяем третье замечательное новшество, его новую платформу, которая предлагает гораздо более эргономичное вождение, увеличивая ощущение «уникальности» с автомобилем.

1. Тепловые двигатели
преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины
передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Таким образом, все тепловые машины могут работать между двумя температурами, которые ограничивают эффективность машины. На рисунке показана диаграмма теплового КПД, работающая как тепловая машина. Ключевым элементом тепловой машины является термоэлектрический преобразователь, известный как аппарат Пельтье, который преобразует тепло в электрическую энергию и наоборот.

Устройство Пельтье работает между двумя фиксированными температурами. В идеальной тепловой машине фиксированные температуры поддерживаются в больших холодных и горячих резервуарах, так как они настолько велики, что тепло может быть добавлено или удалено из них без изменения температуры.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Чтобы имитировать это условие, механизм Пельтье в устройстве с тепловым КПД встроен между двумя алюминиевыми блоками. Блок выдерживается при постоянном холоде через водяной насос. Другой блок нагревается до постоянной, используя источник нагрева. Температуры измеряются с помощью термисторов, которые помещаются в алюминиевые блоки.

Таблица преобразования температурного сопротивления помещается в основание устройства с термическим КПД. Вход тепла в машину будет измеряться путем контроля входного напряжения и тока на нагреватель, который нагревает алюминиевый блок. Работа, разработанная двигателем, — это электрическая энергия, создаваемая устройством Пельтье. Устройство проводит ток через сопротивление, таким образом, работа, наконец, преобразуется в тепло в сопротивлении.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Измеряя напряжение на сопротивлении, работа, разработанная аппаратом, выражается как. Тогда реальная эффективность устройства Пельтье рассчитывается как. Соблюдайте схему, показанную на рисунке 3. Подключите вольтметр через нагрузочный резистор. Выбор резистора произволен. Некоторые из сопротивлений могут использоваться.

Поэтому они по-прежнему сосредоточены на техническом улучшении того же уровня, чтобы достичь уровня правовых и оптимальных выбросов и потребления. Эти улучшения сосредоточены на трех разделах. Это достигается благодаря новой и усовершенствованной системе зажигания, которая требует половины топлива традиционной системы свечей зажигания.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

  • КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
  • дизельного – 40 %;
  • с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

  1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
  2. Расходе тепла.
  3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.

КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.

  1. Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
  2. Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
  3. Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации