Potencijalna efikasnost Stirling motora je veća od ostalih uporedivih motora, ali mnogo više truda je uloženo u poboljšanje motora otvorenog ciklusa. Rezultate poređenja različitih motora u smislu njihove efikasnosti nema rasprostranjena, jer, kao što je ranije navedeno, proizvođači automobila i oni koji upravljaju stacionarnim instalacijama, po pravilu, radije uspoređuju motore po specifičnoj efektivnoj potrošnji goriva. Iako je ovaj parametar direktno povezan sa efikasnošću,
I - ograničavajuća efikasnost Stirlingovog motora; 2-krajnja čvrstoća materijala; 3 - ograničavanje efikasnosti motora sa prisilnim paljenjem; 4- potencijalno dostižna efikasnost Stirling motora; 5 - motori sa unutrašnjim sagorevanjem; 6 - parna mašina; 7- Stirling motor.
Ipak, korisno je direktno razmotriti rezultate mjerenja efikasnosti. Odlična ilustracija trenutnih performansi motora i njihovih potencijalnih vrijednosti efikasnosti je grafikon sastavljen u radu i prikazan na Sl. 1.110 u malo izmijenjenom obliku.
Do sada postignute vrijednosti efikasnosti za eksperimentalne Stirlingove motore prikazane su na sl. 1.111.
Efikasnost CYCLE Carnot, %
Rice. 1.111. Stvarna efikasnost eksperimentalnih Stirling motora prema NASA-i, Rpt CR-I59 63I, rekonstruisan od strane autora.
1 - podaci General Motorsa; 2 - podaci United Stirlinga (Švedska); 3 - podaci firmi "Ford" i "Philips".
B. Specifična efektivna potrošnja goriva
Prije poređenja pojedinih motora u smislu specifične efektivne potrošnje goriva, bilo bi poželjno prikupiti i sumirati više informacija o razlici u performansama između upoređenih motora, koristeći kombinaciju rezultata iz niza tipični motori svaki tip. Treba napomenuti da veliki broj Rezultati vezani za Stirlingove motore dobijaju se na dinamometrima, a ne na testovima vozila, a neki podaci se dobijaju na osnovu kompjuterskih proračuna modela sa dovoljnim stepenom pouzdanosti. Rezultati testova automobila do 1980. godine nisu se poklapali sa proračunskim podacima sa dovoljnim stepenom tačnosti, ali su ukazivali na načine za realizaciju potencijala motora. Specifična efektivna potrošnja goriva različite energije elektrane, namenjene za upotrebu kao izvori energije za automobile, upoređuju se na sl. 1.112.
Ovaj grafikon jasno pokazuje prednosti Stirling motora u čitavom nizu radnih uslova. Budući da se specifična efektivna potrošnja goriva razmatra i kao funkcija brzine i kao funkcija opterećenja, na Sl. 1.113 i 1.114 prikazuju odgovarajuće krivulje za puni raspon radnih brzina pri 50% i 20% punog opterećenja, respektivno.
Prednosti Stirling motora su vrlo jasne iu ovom slučaju. Ulazni podaci za ove zbirne grafikone
1-dizel sa normalan sistem unos; 2 - dizel turbopunjač; 3-benzinski motor sa prinudnim paljenjem i homogenim punjenjem; 4-jednoosovinska plinska turbina; 5-dvoosovinska plinska turbina; 6 - Stirlingov motor.
x*^c
■e-b u -0,2
J____ I___ I___ L
Brzina/Maksimalna brzina
Rice. 1.113. Poređenje specifične efektivne potrošnje goriva različitih elektrana pri 50% opterećenja.
1-jednoosovinska plinska turbina; 2-osovinska plinska turbina; 3 - dizel turbopunjač; 4-benzinski motor sa prinudnim paljenjem i homogenim punjenjem; 5 Stirlingov motor.
Odvedeni su sa posla. Kako cijene goriva nastavljaju rasti, specifična efektivna potrošnja postaje sve važnija karakteristika, i dok se nastavljaju aktivna istraživanja i istraživanja drugih izvora energije, nema sumnje da će ugljikovodična goriva ostati glavni izvor energije u doglednoj budućnosti. . Štaviše,
Čak i uz astronomska povećanja cijena, smanjenje potrošnje goriva bit će zanemarljivo. Zapadno iskustvo pokazuje da su od početka naftne krize 1970-ih, cijene nafte imale mali utjecaj na potrošnju goriva. Studija objavljena 1980. od strane američkog Ministarstva energetike pokazala je da bi čak i 100% povećanje cijena goriva smanjilo potrošnju goriva za samo
II%. Ako na potrošnju goriva ne utiču previše ekonomski faktori, malo je vjerovatno da će ona pasti, popuštajući političkim pritiscima. Problematičan je i uticaj zvaničnih propisa koji imaju za cilj uštedu goriva.
Očigledno, smanjenje specifičnog efektivna potrošnja potrošnja goriva može pomoći u smanjenju potrošnje goriva, budući da bi smanjenje potrošnje goriva od 10% uštedilo, na primjer, preko 305 miliona litara uvezene sirove nafte dnevno za Sjedinjene Države, što odgovara uštedi od preko 5 milijardi dolara godišnje. Sve u svemu, međutim, ovo je vrlo mala ušteda. Stoga, iako je smanjenje specifične efikasnosti goriva važno, ono ne pruža rješenje za energetski problem za većinu zemalja. Izvori energije koji zamjenjuju tekuće ugljovodonike mogli bi imati opipljivije efekte u dogledno vrijeme, a problemi vezani za ovo pitanje bit će razmotreni kasnije. Osim toga, treba napomenuti da je dostupnost energije jednako značajna kao i njena cijena.
B. Razvijena snaga
Valjano poređenje u ovom pogledu može se napraviti samo na osnovu odnosa mase i razvijene snage, a upoređeni motori moraju biti projektovani za istu primenu. Zatim je potrebno uporediti omjer mase cijele elektrane i razvijene snage. Elektrana, namijenjena za upotrebu na automobilu, uključivat će prijenosne jedinice, punjive baterije, sistem hlađenja, itd. Za motore odabrane za poređenje, ovi podaci su prikazani na sl. 1.115 i 1.116.
U oba slučaja, kao što se vidi iz grafikona, Stirlingov motor nema jasne prednosti, međutim, mora se uzeti u obzir da se u razvoju Stirlingovih motora još uvijek malo pažnje nije poklanjalo optimizaciji omjera snage i težine, što se odrazilo i na prikazane rezultate. Ne može se računati na činjenicu da za takvu optimizaciju postoje velike prilike, s druge strane, pogrešno bi bilo reći da su postignuti rezultati granica. U američkom programu razvoja motora, koji je trebao da počne proizvodnju do 1984. godine, ulažu se veliki napori da se smanji težina motora. Treba imati na umu da, kao što je prikazano u tabeli. 1.7, zbog svojih inherentnih karakteristika performansi, Stirlingovi motori (poput plinskih turbina s jednom osovinom) ne moraju imati istu snagu kao drugi motori, pa stoga mogu biti lakši od postojećih automobilskih motora.
Drugi faktor koji treba uzeti u obzir je veličina motora za datu snagu. Ovaj faktor je važan ne samo s gledišta kompaktnosti, već, na primjer, kada je instaliran na brodu s gledišta gubitka korisne zapremine skladišta. Utvrđeno je da Stirlingov motor uzima
Rice. 1.115. Odnos između mase motora i snage koju razvija za elektrane razne vrste.
1- dizel sa normalnim usisnim sistemom;
2- Stirlingov motor; 3-dizel turbo; 4 - benzinski motor sa prisilnim paljenjem i slojevitim punjenjem; 5 - benzinski motor sa prisilnim paljenjem i homogenim punjenjem; 6 - dvoosovinska plinska turbina; 7- jednoosovinska plinska turbina.
Rice. 1.116. Odnos između mase instalacije i snage koju je razvila za elektrane različitih tipova.
1 - dizel sa normalnim usisnim sistemom; 2 - Stirlingov motor; 3 - turbo dizel; 4 - benzinski motor sa prisilnim paljenjem i slojevitim punjenjem; G "- benzinski motor sa prisilnim paljenjem i homogenim punjenjem; 6-rotorski motor sa prisilnim paljenjem; 7-dvoosovinska plinska turbina; 8 - jedno - ialna gasna turbina.
Približno isti prostor kao i ekvivalentni dizel. Noviji podaci vam omogućavaju da sastavite zbirnu tabelu omjera snage i zauzete zapremine različiti motori snaga 78-126 kW (tabela 1.8).
|
Tabela 1.8. Odnos snage motora R do volumena V, Zauzeto elektranom |
Iz tablice proizlazi da motori s pozitivnim paljenjem s homogenim punjenjem još uvijek nadmašuju sve ostale motore u ovom pokazatelju, međutim, obećavajući motori sa slojevitim punjenjem neće imati tako neospornu prednost kao motori s homogenim punjenjem. Ako se keramičke komponente koriste u Stirlingovim motorima i plinskim turbinama, onda se situacija može dramatično promijeniti. At savremenom nivou tehnički napredak Stirlingov motor je generalno superiorniji dizel motori.
Varijacije obrtnog momenta Stirling motora kao funkcija brzine i pritiska već su razmatrane u poređenju sa drugim elektranama. Kada se ovaj motor koristi u automobilu, karakteristike njegovih karakteristika obrtnog momenta i brzine su posebno povoljne sa stanovišta efektivnog ubrzanja automobila i doprinose pojednostavljenju i pojeftinjenju mjenjačkih jedinica. Međutim, da bismo upotpunili sliku, potrebno je reći nekoliko riječi o cikličnim fluktuacijama momenta. Literatura navodi da Stirling motor ima glatkiju promjenu obrtnog momenta u odnosu na druge klipne motore. Čini se da "glatko" znači da je promjena obrtnog momenta s promjenom ugla rotacije radilice ovog motora relativno mala. Namjerno smo upotrijebili riječ "očigledno" jer
ku, na pitanje šta tačno znači pojam "glatki", nismo u mogućnosti da damo jednoznačnu definiciju. Ovo pitanje je detaljno razmotreno u Pogl. 2. Ovdje će biti dovoljno napomenuti da promjene u momentu u zavisnosti od ugla rotacije poluge y višecilindrični motor Stirling je manji od, na primjer, motora s prisilnim paljenjem (slika 1.117).
Manje fluktuacije momenta takođe znače te fluktuacije ugaona brzina Stirlingov motor je također značajno manji od ostalih motora. Ova izjava se, naravno, odnosi na motore bez zamašnjaka. U praksi, to znači da Stirling motori mogu biti opremljeni manje masivnim zamašnjakom i da pokretanje Stirling motora zahtijeva manje mehaničkih napora. Nadalje, zbog malih cikličkih fluktuacija u momentu i brzini rotacije, Stirlingovi motori mogu biti pogodniji za samostalne električne generatore.
Ove tvrdnje, međutim, treba provjeriti jer iako je vršni omjer momenta e< его среднему значению у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноцилиндрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового dvotaktni dizel, i upola manje od četverocilindarskog četverotaktnog dizelaša.
Procjena troškova je uvijek teška, a njena prognoza, uzimajući u obzir budući razvoj događaja, vrlo je netačna. Međutim, nema sumnje da je takva procjena neophodna za usporedbu alternativnih motora, uzimajući u obzir najskuplje komponente. Cijena Stirling motora je otprilike 1,5 do 15 puta veća od ekvivalentnog dizela. Ova procjena je napravljena na osnovu tehničke literature; predstavljen je na tehničkim konferencijama i sastancima. Na prvi pogled ova procjena izgleda neutemeljena, ali najvjerovatnija.
Istina je, a to će biti jasno iz onoga što slijedi. Nepotkrijepljene tvrdnje o percipiranoj vrijednosti obično nemaju smisla, ali nažalost takve se tvrdnje iznose u mnogim publikacijama. Međutim, detaljnija istraživanja u ovoj oblasti sada su dostupna kroz programe koje je naručilo Ministarstvo energetike SAD.
Trošak se može odrediti različitim faktorima, od kojih su glavni:
1) troškovi rada;
2) materijali;
3) kapitalna oprema;
4) proizvodnu opremu;
5) rad i održavanje;
6) razvoj dizajna.
Ova lista nikako nije konačna. Mnoge komponente troškova direktno zavise od masovne proizvodnje. Iako je to očigledno, ne škodi ponoviti ovu tvrdnju, budući da se ovaj aspekt vrednovanja u mnogim publikacijama zanemaruje. Zavisnost ekonomije od obima proizvodnje može značiti da je jedan tip motora skuplji od drugog u malim serijama, ali jeftiniji kako se proizvodnja povećava. Potrebno je uzeti u obzir opseg motora. Na primjer, cijena motora automobila je samo mali dio ukupne cijene automobila, tako da kada uporedimo cijenu razni motori mora se uzeti u obzir da značajna razlika u cijeni motora možda neće primjetno utjecati na cijenu automobila prilikom ugradnje ovih motora. Ova karakteristika se može ilustrovati jednostavnim proračunom. Ako pretpostavimo na primjer da je cijena motora 10% ukupne cijene automobila, onda ako automobil košta 6000 dolara, motor će koštati 600 dolara Pretpostavimo da drugi motor košta dvostruko više, odnosno košta 1200 dolara; Onda ukupni troškovi auto bi koštao 6.600 dolara, samo 10% više, a kupac bi možda bio spreman da plati malo više za prikladniji automobil.
Prije nego što pogledamo troškove i troškove u uvjetima industrijske proizvodnje, željeli bismo razmotriti, na osnovu vlastitog iskustva, evoluciju troškova prilikom izgradnje ili kupovine prototipa Stirling motora ili motora ovog tipa namijenjenog za istraživačke svrhe. Snaga takvih motora smatrat će se ograničenom na 100 kW. Nabavna cijena takvog motora, uzimajući u obzir nivo cijena iz 1981. godine, iznosit će oko 6.700 USD/kW. Jedan je Io, ako je motor napravljen od strane iste organizacije koja će ga koristiti, ili proizveden od strane treće strane sa detaljnom dokumentacijom i dizajnom mašine, njegova cijena će biti u rasponu od 100-3500 USD/kW. Kako Stirlingov motor postaje sve više mainstream i manje "istraživanja", njegova cijena će naglo pasti. Jedan od proizvođača mali motori Stirling (manje od 1 kW) smatra da se sa proizvodnjom od 1000 takvih motora godišnje, cijena jednog motora u odnosu na njegovu cijenu za pojedinačnu proizvodnju može smanjiti za 30 puta.
Ova zavisnost troškova od obima proizvodnje potvrđena je nedavnim studijama brojnih motora sa pogonom solarna energija izvodi Laboratorija mlazni motori(SAD) . Napravljeno je poređenje između Stirlingovog motora i gasna turbina u modifikacijama dizajniranim za korištenje solarne energije. Plinsku turbinu je posebno dizajnirao Garrett, a Stirlingov motor je preuzet iz serije koju proizvodi United Sterling. Table 1.9.
Tabela 1.9. Ovisnost troškova o izlaznoj zapremini (poređenje Stirlingovog motora i gasne turbine)
Ukupni jedinični trošak, USD/kWh
Ukupni jedinični trošak uključuje troškove plaćanja radna snaga, troškovi materijala, troškovi^ kapitalne opreme i alata. Uticaj obima proizvodnje na vrijednost može se jasno vidjeti iz prikazanih podataka. Ukupni jedinični trošak plinske turbine s povećanjem snage smanjuje se za 3 puta, dok se isti indeks Stirlingovog motora smanjuje za više od 6 puta. Uz mali obim proizvodnje, Stirlingov motor je više od 50% skuplji od gasne turbine, a sa godišnjom proizvodnjom od 400.000 motora 30% je jeftiniji. Za naše potrebe, 400.000 motora godišnje izgleda malo visoko, ali za automobilske motore to se može smatrati normalnim.
Potencijalne proizvođače Stirling motora više će zanimati procijenjena cijena ovih motora za upotrebu u automobilima. Trošak proizvodnje, dat u tabeli. 1.10, uzeti u obzir
|
Tabela 1.10. Troškovi proizvodnje automobilski motori sa obimom proizvodnje od 400.000 komada godišnje (u cijenama iz 1981.) |
Uključuje troškove rada, troškove materijala, kapitalne opreme i alata, a po svojoj strukturi troškova je u velikoj mjeri slična onoj izračunatoj za solarne motore. Međutim, u automobilska verzija motori imaju napredniji dizajn nego u varijanti solarnog motora. Stirlingovi motori i plinske turbine zahtijevaju drugačije posebne materijale od konvencionalnih motora. Naravno, to je u velikoj mjeri stvar ponude i tržišnih uvjeta, pa da su Stirlingov motor ili plinska turbina bili "konvencionalni" motori, onda bi materijali za njih mogli imati nižu cijenu, budući da bi rudarska industrija i industrija čelika bili fokusirani na proizvodnju ovih materijala., a materijali za proizvodnju motora na prisilno paljenje i dizela postali bi "posebni". Štaviše, specijalni materijaličesto zahtijevaju odgovarajuću specijalnu proizvodnu opremu, što doprinosi dodatnom povećanju troškova. S obzirom na materijale i proizvodnu opremu koja se trenutno koristi u automobilskoj industriji, za očekivati je da, u smislu troškova, konvencionalni motoriće biti poželjna. Da bi se razjasnio ovaj aspekt formiranja troškova proizvodnje, u tabeli. 1.10 prikazuje cijenu motora dvije snage (75 i 112 kW) i također pokazuje postotak ukupnih troškova koji se mogu pripisati materijalu i proizvodnoj opremi.
Potrošače motora zanimaju prodajne cijene, a ne troškovi proizvodnje, što nije iznenađujuće. Stoga, u tabeli. 1.11 prikazuje prodajne cijene automobilskih motora sa godišnjom proizvodnjom od 400.000 jedinica. Postoji i razlika u cijeni u odnosu na uobičajenu benzinski motor sa prinudnim paljenjem i homogenim punjenjem (GZB).
|
Snaga motora 75 kW Snaga motora 112 kW Tabela 1.11. Prodajna cijena automobilskih motora sa obimom proizvodnje od 400.000 jedinica godišnje (u cijenama iz 1981.)
|
Što se tiče troškova proizvodnje i prodajne cijene, Stirlingovi motori su skuplji od ostalih motora, iako uz povoljan obim proizvodnje i primjenu mogu postati isplativiji od svojih konkurenata. Međutim, sasvim je jasno da će s povećanjem snage Stirling motora i obima njihove proizvodnje oni postati sve konkurentniji s ekonomskog gledišta. Odnos između komponenti troškova o kojima se govori u ovom odeljku prikazan je na sl. 1.118.
Raspodjela ukupne cijene Stirling motora s kosom podloškom kompanije Ford prema strukturnim elementima koji čine elektranu data je u tabeli. 1.12 za godišnju proizvodnju od 400.000 kom. .
Izmjenjivači topline imaju najvišu relativnu cijenu, a firma je nastojala da to smanji na oko 17% kroz poboljšani dizajn i tehnologiju proizvodnje sve dok njen program poboljšanja Stirling motora nije prestao postojati.
Čak i ako se za Stirlingov motor koriste jeftiniji materijali i postigne odgovarajući obim proizvodnje, onda čak i u ovom slučaju Stirlingov motor vjerojatno neće biti jeftiniji od, recimo, motora s pozitivnim paljenjem i homogenim punjenjem. Međutim, kao što je gore objašnjeno, potrošač može biti voljan ići na to dodatni troškovi za prednosti koje će biti povezane sa ovim motorom. Ako je moguće ostvariti potencijal motora za uštedu goriva i ulje za podmazivanje i povećanje ugrađene izdržljivosti, onda smanjenje troškova rada Stirling motora može dovesti do uštede u ukupnim troškovima nabavke i rada
napad motora, koji bi potrošača trebao impresionirati više od razmatranja okoliša i konverzije energije. Posebnu pažnju na ovakve uštede treba obratiti u zapadnoj Evropi, gde su „ekonomični“ automobili sa nizak protok goriva postaju sve popularnija, iako početni trošak takvih automobila nije mnogo manji od luksuznijih, ali manje ekonomičnih
Novi automobili. Zanimljivo je da se na tržištu polovnih automobila "ekonomični" automobil često preprodaje po višoj cijeni od njegove "braće" više visoko društvo. Proračun ukupne profitabilnosti koja se može očekivati od Stirling motora izvršio je United Sterling za slučaj ugradnje motora na kamion. Objavljeni podaci odnose se na nivo cijena iz 1973. godine, međutim, katastrofalni rast inflacije koji je uslijedio i eksponencijalni rast cijena goriva i maziva otežavaju prevođenje rezultata na nivo cijena iz 1981. godine, dok se istovremeno objavljuju procjene troškova na Ovdje nivo iz 1973. jedva da je koristan.
Koeficijent ekonomske profitabilnosti (ER) izračunat je pomoću sljedeće formule:
( Razlika u cijeni ____ / Razlika početnog H
__ Operacija / V ___________________ trošak _______)
U ovom slučaju utvrđuju se razlike između odgovarajućih pokazatelja Stirling motora i ekvivalentnog dizel motora.
Iz rezultata dobivenih od United Stirlinga i ispravljenih od strane autora (slika 1.119), slijedi da je s radnom kilometražom od 16 000 km godišnje, CER = 0 nakon 4,1 godine rada; drugim riječima, tokom ovog perioda, niži operativni troškovi Stirling motora u odnosu na dizel motor će uravnotežiti njegovu veliku početnu cijenu, a nakon 5,7 godina CEP će dostići vrijednost od 0,5, odnosno uštedu jednaku polovini dobiće se razlika u početnim kapitalnim troškovima.
Prilozi. Sa godišnjom kilometražom od 100.000 km - prosjek za Evropu sa međunarodnim drumski transport- početna dodatna investicija isplatit će se nakon 2-3 mjeseca rada. Ovi rezultati su dobijeni za jedan automobil. Sličan proračun za kolonu dao bi još povoljnije rezultate. Čak i ovo kratka recenzija pitanja vezana za cijenu Stirlingovih motora, omogućavaju nam da izvučemo razuman zaključak da je ovaj motor, iako ima visoku cijenu proizvodnje, potencijalno jeftiniji za rad. S daljnjim povećanjem cijene naftnih derivata i poteškoćama u njihovoj nabavci, prednosti Stirling motora mogu postati još opipljivije.
Iako Stirlingov motor može da radi na različite izvore energije, izvesno je da će i početkom sledećeg veka ugljovodonična goriva ostati glavni izvor energije za kopneni transport. To ne znači da će se ugljovodonična goriva i dalje dobijati iz postojećih izvora i da će zadržati svoj moderan izgled. Ovo pitanje ostaje da se istraži, jer može postojati dodatna ekonomska korist zbog sposobnosti Stirlingovog motora da radi na različite vrste goriva. Stoga ćemo, nakon rasprave o proizvodnosti Stirling motora, razmotriti mogućnost korištenja alternativnih ugljikovodičnih goriva.
Iako se ovo pitanje razmatra odvojeno od troškova, u stvari, trošak proizvodnje je direktno povezan s produktivnošću. Međutim, radi veće jasnoće prezentacije, prikladnije je razmotriti pitanja vezana za proizvodnost odvojeno. Kao što se vidi iz tabele. 1.10, Stirlingov motor je skuplji od ostalih opcija za automobilske motore; komponente ovog troška date su u tabeli. 1.12. Glavni razlog za tako relativno visoku cijenu Stirling motora je upotreba visokolegiranih legura za proizvodnju izmjenjivača topline. Dizajn izmjenjivača topline podrazumijeva korištenje vrlo skupe tehnologije lemljenja i skupih materijala za lemljenje, dok je dužina lemljenih šavova vrlo značajna. Tolerancije na obrađenim površinama dijelova Stirling motora su teže, što je posljedica zatvorenog radnog ciklusa. Za Stirling motore sa slobodnim klipom, kvalitet obrade je vjerovatno najvažniji zahtjev za pravilan rad motora.
Sastavljanje glavnih mehaničkih komponenti Stirlingovog motora mora se obaviti s velikom pažnjom, posebno montaža uređaja za brtvljenje. Svaka nepreciznost u montaži će dovesti do kvara motora. Zaptivke na rolo čarapama su posebno podložne neovlaštenom montaži, a ugradnja tako tanke i krhke brtve zahtijeva najvišu čistoću mjesta montaže.
|
Tabela 1.13. Vrijeme utrošeno na proizvodnju motora (raspodjela po vrsti posla)
|
Stirlingovim motorima je potrebno približno isto vrijeme za proizvodnju kao i ostalim motorima, ali kvalifikacije osoblja moraju biti veće iz gore navedenih razloga. Iako vrijeme montaže može biti isto kao i za druge motore, raspodjela ovog vremena na pojedinačne operacije bit će drugačija, i, naravno, to može utjecati na ukupne troškove. Razmatranja iznesena u ovoj kratkoj raspravi potvrđuju podaci dati u tabeli. 1.13 i 1.14. Pretpostavlja se da je ukupno vrijeme utrošeno na proizvodnju jednog motora 10 sati, bez obzira na tip motora.
Tablice pokazuju da iako je za livenje delova Stirlingovog motora potrebno isto vreme kao i za livenje delova motora sa pozitivnim paljenjem, cena opreme za livenje za prvi motor je dvostruko veća. Na osnovu toga treba očekivati visoka početna ulaganja potrebna za izgradnju Stirlingovih tvornica motora, a to vjerovatno objašnjava suzdržanost proizvođača motora kada se odlučuju za veliki proizvodni program: čekaju trenutak kada se sumnja da će ovaj motor moći da realizuju svoje potencijalne koristi. Razlozi zbog kojih je cijena 1 kW razvijene od strane eksperimentalnog Stirlingovog motora po mjeri vrlo visoka, također su sasvim razumljivi.
G. Alternativni izvori energije
Energetska kriza koja je nastupila odnosila se na samo jedan izvor energije - sirovu naftu i tečna ugljovodonična goriva koja se dobijaju iz nje. Tokom protekle decenije (1971-1981), rezultat krize bio je eksponencijalni rast cijena goriva, kao i poteškoća u održavanju sigurnih zaliha goriva. Međutim, treba imati na umu da naša planeta nema neograničene rezerve sirove nafte, iako će proći mnogo godina dok se raspoložive rezerve ne iscrpe dovoljno da imaju primjetan globalni utjecaj. Krizu je pogoršala neravnomjerna distribucija nafte po regijama, tako da je trenutno vrlo malo zemalja koje same sebi obezbjeđuju naftu, a vrlo malo zemalja koje imaju toliku količinu nafte da imaju velike viškove. Većina zemalja je prisiljena uvoziti dio ili čak sve ono što im je potrebno ugljikovodično gorivo, što uzima značajnu količinu deviza. Do 1980. godine 44,6% svjetske potrošnje energije će biti pokriveno sirovom naftom, a ovaj broj pokazuje monstruoznu težinu problema koji treba riješiti.
Struktura potrošnje energije varira od zemlje do zemlje, ali za primjer smo uzeli obrazac potrošnje u SAD, jer SAD troše više energije od bilo koje druge zemlje. Struktura potrošnje za 1977. godinu data je u tabeli. 1.15.
Potrošnja tečnih ugljovodonika u SAD je slična globalnoj i čini 48,8% ukupne potrošnje energije, što odgovara 795 miliona tona godišnje; 54,5% ovog goriva se troši na potrebe transporta. SAD moraju da uvoze 50% potrebne količine nafte, što je oko 375 miliona tona godišnje i košta mnogo milijardi dolara. Naravno, takvi troškovi podstiču potragu za alternativom
Tivny goriva. Međutim, zamjena tekućih ugljikovodika kao izvora energije je težak zadatak i zahtijevat će mnogo godina intenzivnog istraživanja i razvoja. Rješavanju problema može pomoći korištenje solarne i geotermalne energije, energije vjetra, ali razvoj ovih izvora trenutno pokazuje da generalno oni neće imati veliki značaj, barem do početka sljedećeg stoljeća. Predviđa se da će nuklearne elektrane i hidroelektrane zadovoljiti oko 15% potrošnje energije do 1990. godine. To znači da će oko 40% svjetske potrošnje energije ostati na udjelu nafte. Međutim, sve ovo alternativni izvoriće imati mali ili nikakav utjecaj na potrošnju nafte u transportu osim ako se željeznički teretni promet ne poveća i željeznice budu u potpunosti elektrificirane. I pored toga, ostaje problem snabdijevanja gorivom bez željezničkog putničkog i teretnog transporta. Očigledno, postoje tri mogućnosti:
1) korišćenje izvora fosilnih goriva osim nafte;
2) korišćenje ugljovodonika sa nižim stepenom prečišćavanja;
3) upotreba sintetičkih tečnih ugljovodonika.
Opcija 1 povezana je s brojnim poteškoćama, među kojima nisu posljednje mjesto potrebno je da se obezbedi energetski ekvivalent od 795 miliona tona nafte, što je 4-1018 J. Da bi se obezbedio ovaj ekvivalent, potrebne su nerealno brze stope razvoja industrije čvrstih i gasovitih fosilnih goriva. U bliskoj budućnosti moguće je povećati proizvodnju ovih goriva u postojećim pogonima, a iako će to pomoći u rješavanju problema, pojavit će se još jedan problem – kako koristiti ova goriva u modernim motorima.
Za elektrane sa vanjskim unosom topline, kao što su Stirlingovi motori i parne mašine, to ne bi bio problem. Problem se u osnovi može riješiti za moćnu stacionarnu plinsku turbinu. Druge razmatrane motore nije tako lako prilagoditi alternativnim gorivima, kao što se može vidjeti iz tabele. 1.16, gdje znak X označava mogućnost korištenja ovog goriva, znak OX označava problematičnu mogućnost takve upotrebe, a crtica da se gorivo ne može koristiti.
Tabela 1.16. Prilagodljivost motora različitim vrstama goriva
Avijacija
Vrsta goriva GZB SZB plin Dizel
Na bazi uglja
TOC o "1-3" h z Mješavina ugljene prašine i ostataka - - - - OH
Destilacija kow ulja
Mješavina ugljene prašine i metanola - - - OH
Tečno gorivo na bazi uglja
Benzin XX - -
Mješavina dizel goriva i - X - X
Mlazno gorivo
Teško lož ulje (lož ulje) - - X
Tečna goriva iz škriljaca
Benzin XX-X
Mješavina dizel goriva i - X - X mlaznog goriva
Gorivo na bazi organskog petroleja - - X XX otpad
Metanol XX XX
Vodonik XX XX
Metan XX XX
Tablični podaci. Slika 1.16 pokazuje da situacija nije baš ohrabrujuća i čini se da nema mnogo vremena za poboljšanje situacije u slučaju opcije 1.
Opcija 2 dobila je određenu podršku u popularnoj štampi, ali oktanski i cetanski broj takvi ugljovodonici su nedovoljni za pouzdan rad postojećih motora. Čak i ako se ovi motori mogu prilagoditi za rad na ova goriva, ušteda energije neće biti toliko značajna kao što se čini na prvi pogled. Procjenjuje se da se pri korištenju manje rafiniranih ugljovodonika ostvaruje ušteda
energije neće biti više od 3,8%, a budući da će upotreba takvih goriva negativno uticati jedinični troškovi goriva i sadržaja emisija u atmosferu, ova opcija takođe nije rješenje problema.
dakle, jedina opcija ono što ostaje je proizvodnja sintetičkih tekućih ugljovodonika, odnosno ugljovodonika dobijenih ne iz fosilne nafte, već, na primjer, iz uglja, uljnih škriljaca, katranskog pijeska. Nedostaci ove opcije uključuju visoke troškove energije za proces dobivanja sintetičkih goriva. Na primjer, tečna goriva dobivena iz uglja, posebno ona namijenjena za motore s prisilnim paljenjem, gube i do 40% energije sadržane u izvoru iz kojeg se dobijaju tokom proizvodnje. Međutim, proizvodnja goriva iz uglja, namijenjenog Stirlingovom motoru, nije potrebna sofisticirana tehnologija, a mnogo manje energije bi se trošilo na dobijanje takvog goriva. Iz navedenog proizilazi da je za izračunavanje ukupne toplinske efikasnosti instalacije koja radi na sintetičko gorivo potrebno uzeti u obzir i efikasnost pretvaranja izvorne vrste energije u oblik pogodan za korištenje u ovoj instalaciji. Rezultati takvih proračuna prikazani su u tabeli. 1.17.
Tabela 1.17. Toplotna efikasnost koja karakteriše pretvaranje energije sadržane u izvoru goriva u koristan rad na izlazu motora
sintetičko gorivo
efikasnost General motor, efikasnost,
Ulje iz škriljaca
Plinska turbina SZB
Sterling motor
Na osnovu ovih rezultata, Opcija 3 se čini atraktivnijom, osim što svi obećavajući motori za koje su postignuti zadovoljavajući rezultati - motori sa pozitivnim paljenjem sa slojevitim punjenjem, dizel motori s turbo punjenjem, Stirlingovi motori i plinske turbine - zahtijevaju značajna kapitalna ulaganja za proizvodnju u količinama kako bi se osigurala njihova profitabilnost. Izmijenjena opcija 3 razmatra mogućnost korištenja zapaljivih mješavina sastavljenih od sintetičkih goriva i benzina dobivenog iz nafte. Jedna takva mješavina koja je testirana na terenu je gasohol (10% granuliranog etanola i 90% bezolovnog benzina). Rezultati ispitivanja su pokazali da ova mješavina ima svojstva gotovo identična onima benzina koji čini njegovu osnovu, te daje gotovo iste performanse motora kao i benzin, a nešto manji energetski potencijal po jedinici volumena mješavine pokriven je većim oktanski broj. Možete koristiti i mješavine benzina s metanolom.
Upotreba mješavina će, međutim, samo neznatno smanjiti problem uvoza nafte, i to srazmjerno postotku sintetičkog goriva u mješavini. Istovremeno, kapitalna ulaganja potrebna za izgradnju postrojenja za proizvodnju relativno malih količina ovakvih mješavina premašila bi mogućnosti malih zemalja, pa čak i mnogih multinacionalnih kompanija. Na primjer, prema procjenama, za proizvodnju 17,2 miliona tona gasohola godišnje do 1990. bilo bi potrebno najmanje 10 milijardi dolara (drugim riječima, samo 2% ukupne potražnje za tekućim ugljovodonicima). etanola sa benzinom u omjeru 5:95, tako da će se ukupna količina potrošene nafte smanjiti za iznos jednak 5% od 2%, odnosno za 0,1%. Uzimajući u obzir moderne cijene za naftne derivate takva izgradnja košta 20 puta više od kupovine odgovarajuće količine nafte.
Iz navedenog proizilazi da će, iako nužnost tjera na potragu za alternativnim izvorima goriva, biti potrebna ogromna ulaganja da bi ti izvori mogli imati bilo kakav uticaj na obrazac potrošnje goriva do kraja prve četvrtine sljedećeg stoljeća, posebno sintetičkih goriva. težak naftna goriva i ugalj može imati određeni utjecaj na obrazac potrošnje goriva i malih i velikih stacionarnih elektrana. Za transportne elektrane jedini izlaz je smanjenje potrošnje goriva, a to se ne odnosi samo na automobile, već i na brodska plovila, gdje 72% brodskih elektrana čine dizel motori. Smanjenje stope potrošnje goriva, kao što je već spomenuto, samo djelomično rješava problem: motori sa znatno manjom potrošnjom goriva će imati veći utjecaj na problem uštede energije, posebno ako mogu raditi na različite vrste goriva. Stirlingov motor je pokazao da čak iu sadašnjoj fazi svog razvoja može osigurati značajnu uštedu goriva. Međutim, s obzirom na trenutni intenzitet istraživanja i razvoja, ove bi uštede mogle biti još veće. Na kraju svog programa Stirling motora, Ford je predvidio smanjenje potrošnje goriva od 38% uz nivo pouzdanosti od 73% i smanjenje potrošnje goriva od 81% uz nivo pouzdanosti od 52%.
Koeficijent korisna akcija(efikasnost) - termin koji se može primijeniti na svaki sistem i uređaj. Čak i osoba ima efikasnost, mada, vjerovatno, još ne postoji objektivna formula za njeno pronalaženje. U ovom članku ćemo detaljno objasniti šta je efikasnost i kako se može izračunati za različite sisteme.
definicija efikasnosti
Efikasnost je pokazatelj koji karakteriše efikasnost određenog sistema u odnosu na povrat ili konverziju energije. Efikasnost je nemerljiva vrednost i predstavlja se ili kao numerička vrednost u opsegu od 0 do 1, ili kao procenat.
Opća formula
Efikasnost je označena simbolom Ƞ.
Opća matematička formula za pronalaženje efikasnosti je napisana na sljedeći način:
Ƞ=A/Q, gdje je A korisna energija/rad koji sistem obavlja, a Q je energija koju ovaj sistem troši da organizira proces dobijanja korisnog izlaza.
Faktor efikasnosti je, nažalost, uvijek manji od jedan ili mu je jednak, jer prema zakonu održanja energije ne možemo dobiti više rada od utrošene energije. Osim toga, efikasnost je, u stvari, izuzetno rijetko jednaka jedinici, jer koristan rad uvijek je praćeno prisustvom gubitaka, na primjer, za grijanje mehanizma.
Efikasnost toplotnog motora
Toplotni motor je uređaj koji pretvara toplotnu energiju u mehaničku energiju. U toplotnom stroju, rad je određen razlikom između količine topline primljene od grijača i količine topline koja se daje hladnjaku, pa se stoga efikasnost određuje formulom:
- Ƞ=Qn-Qh/Qn, gdje je Qn količina toplote primljena od grijača, a Qh količina topline predane hladnjaku.
Vjeruje se da najveću efikasnost pružaju motori koji rade na Carnot ciklusu. IN ovaj slučaj Efikasnost se određuje formulom:
- Ƞ=T1-T2/T1, gdje je T1 temperatura toplog izvora, T2 je temperatura hladnog izvora.
Efikasnost elektromotora
Elektromotor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku, pa je efikasnost u ovom slučaju odnos efikasnosti uređaja u odnosu na pretvaranje električne energije u mehaničku energiju. Formula za pronalaženje efikasnosti elektromotora izgleda ovako:
- Ƞ=P2/P1, gdje je P1 - neuspješan električna energija, P2 - korisno mehanička snaga koju generiše motor.
Električna snaga se nalazi kao proizvod struje i napona sistema (P=UI), a mehanička snaga kao omjer rada i jedinice vremena (P=A/t)
efikasnost transformatora
Transformator je uređaj koji pretvara naizmjenična struja jedan napon u naizmjeničnu struju drugog napona, zadržavajući frekvenciju. Osim toga, transformatori također mogu pretvoriti AC u DC.
Efikasnost transformatora se nalazi po formuli:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), gdje je P0 - gubitak moda idle move, PL - gubici opterećenja, P2 - aktivna snaga isporučena na teret, n - relativni stepen opterećenja.
Efikasnost ili ne efikasnost?
Vrijedi napomenuti da pored efikasnosti postoji niz pokazatelja koji karakteriziraju efikasnost energetskih procesa, a ponekad možemo pronaći opise tipa - efikasnost reda veličine 130%, međutim, u ovom slučaju vam je potrebno shvatiti da se izraz ne koristi sasvim ispravno, a, najvjerovatnije, autor ili proizvođač razumije malo drugačiju karakteristiku ove skraćenice.
Na primjer, toplotne pumpe se odlikuju činjenicom da mogu dati više topline nego što ih troše. Dakle, rashladna mašina može da odvoji više toplote iz hlađenog objekta nego što se potroši u ekvivalentu energije za organizaciju odvođenja. Pokazatelj efikasnosti rashladne mašine naziva se koeficijent performansi, označen slovom Ɛ i određen je formulom: Ɛ=Qx/A, gdje je Qx toplina odvedena sa hladnog kraja, A je rad utrošen na proces uklanjanja. Međutim, ponekad se koeficijent performansi naziva i efikasnošću rashladne mašine.
Zanimljiva je i efikasnost rada kotlova organsko gorivo, obično se računa prema nižoj kalorijskoj vrijednosti, dok se može pokazati i više od jedan. Međutim, i dalje se tradicionalno naziva efikasnost. Efikasnost kotla je moguće odrediti po bruto kalorijskoj vrijednosti i tada će ona uvijek biti manja od jedan, ali u ovom slučaju neće biti zgodno upoređivati performanse kotlova sa podacima drugih instalacija.
Posao koji obavlja motor je:
Ovaj proces prvi je razmatrao francuski inženjer i naučnik N. L. S. Carnot 1824. godine u knjizi Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama koje su u stanju da razviju tu silu.
Cilj Carnotovog istraživanja bio je da se otkriju razlozi nesavršenosti toplotnih motora tog vremena (imali su efikasnost ≤ 5%) i da se pronađu načini za njihovo poboljšanje.
Carnotov ciklus je najefikasniji od svih. Njegova efikasnost je maksimalna.
Slika prikazuje termodinamičke procese ciklusa. U procesu izotermnog širenja (1-2) na temperaturi T 1 , rad se obavlja promjenom unutrašnje energije grijača, odnosno dovođenjem količine topline plinu Q:
A 12 = Q 1 ,
Hlađenje plina prije kompresije (3-4) nastaje tijekom adijabatskog širenja (2-3). Promjena unutrašnje energije ΔU 23 u adijabatskom procesu ( Q=0) potpuno se pretvara u mehanički rad:
A 23 = -ΔU 23 ,
Temperatura plina kao rezultat adijabatskog širenja (2-3) opada na temperaturu hladnjaka T 2 < T 1 . U procesu (3-4), plin se izotermno komprimira, prenoseći količinu topline u hladnjak Q2:
A 34 = Q 2,
Ciklus se završava procesom adijabatske kompresije (4-1), u kojoj se plin zagrijava do temperature T 1.
Maksimalna vrijednost efikasnosti toplotnih motora koji rade na idealnom plinu, prema Carnot ciklusu:
.
Suština formule je izražena u dokazanom WITH. Carnotova teorema da efikasnost bilo koje toplotne mašine ne može biti veća efikasnost ciklusa Carnot se izvodi na istoj temperaturi grijača i hladnjaka.
Definicija [ | ]
Efikasnost
Matematički definicija efikasnosti može se napisati kao:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)Gdje A- koristan rad (energija), i Q- potrošena energija.
Ako je efikasnost izražena u postocima, onda se izračunava po formuli:
η = A Q × 100 % (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\puta 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),Gdje Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- toplota koja se uzima sa hladnog kraja (rashladni kapacitet u rashladnim mašinama); A (\displaystyle A)
Za toplotne pumpe koristite termin omjer transformacije
ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),Gdje Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma))- toplota kondenzacije koja se prenosi na rashladno sredstvo; A (\displaystyle A)- rad (ili električna energija) utrošen na ovaj proces.
IN savršen auto Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), dakle za idealnu mašinu ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)
Moderna stvarnost uključuje široko rasprostranjen rad toplotnih motora. Brojni pokušaji njihove zamjene elektromotorima do sada su propali. Problemi povezani sa akumulacijom električne energije u autonomni sistemi rešavaju se sa velikom mukom.
I dalje su aktuelni problemi tehnologije za proizvodnju akumulatora električne energije, uzimajući u obzir njihovu dugotrajnu upotrebu. Brzinske karakteristike električna vozila su daleko od vozila automobila na motore sa unutrašnjim sagorevanjem.
Prvi koraci ka stvaranju hibridnih motora mogu se značajno smanjiti štetne emisije u megagradovima, rješavanje ekoloških problema.
Malo istorije
Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju kretanja bila je poznata još u antici. 130. pne: Filozof Heron iz Aleksandrije predstavio je publici parnu igračku - eolipil. Sfera ispunjena parom počela je da se okreće pod dejstvom mlaza koji su izlazili iz nje. Ovaj prototip modernog parne turbine nije našla primjenu u to vrijeme.
Dugi niz godina i stoljeća razvoj filozofa se smatrao samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Italijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. Para pokreće disk opremljen lopaticama.
Od tog trenutka počinje brzi razvoj parne mašine.
toplotni motor
Pretvaranje goriva u energiju za kretanje delova mašina i mehanizama koristi se u toplotnim mašinama.
Glavni delovi mašina: grejač (sistem za dobijanje energije izvana), radni fluid (obavlja korisnu radnju), frižider.
Grijač je dizajniran da osigura da radni fluid akumulira dovoljnu količinu unutrašnje energije za obavljanje korisnog rada. Frižider uklanja višak energije.
Glavna karakteristika efikasnosti naziva se efikasnost termičkih motora. Ova vrijednost pokazuje koji dio energije utrošene na grijanje se troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća efikasnost, to profitabilniji posao mašina, ali ova vrijednost ne može biti veća od 100%.
Proračun efikasnosti
Neka grijač dobije izvana energiju jednaku Q 1 . Radni fluid je izvršio rad A, dok je energija data frižideru Q 2 .
Na osnovu definicije izračunavamo efikasnost:
η= A / Q 1 . Uzimamo u obzir da je A \u003d Q 1 - Q 2.
Odavde, efikasnost toplotnog motora, čija formula ima oblik η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, omogućava nam da izvučemo sljedeće zaključke:
- Efikasnost ne može biti veća od 1 (ili 100%);
- da bi se ova vrijednost maksimizirala, potrebno je ili povećanje energije primljene od grijača ili smanjenje energije koja se daje hladnjaku;
- povećanje energije grijača postiže se promjenom kvaliteta goriva;
- smanjenje energije koja se daje frižideru, omogućavaju vam da postignete karakteristike dizajna motori.
Idealan toplotni motor
Da li je moguće stvoriti takav motor, čija bi efikasnost bila maksimalna (idealno, jednaka 100%)? Francuski teorijski fizičar i talentovani inženjer Sadi Carnot pokušao je pronaći odgovor na ovo pitanje. Godine 1824, njegovi teorijski proračuni o procesima koji se dešavaju u gasovima su objavljeni.
Glavna ideja ugrađena u idealnu mašinu može se smatrati izvođenjem reverzibilnih procesa sa idealan gas. Počinjemo sa izotermnim širenjem plina na temperaturi T 1 . Količina toplote koja je potrebna za to je Q 1. Nakon što se gas širi bez razmene toplote.Kada dostigne temperaturu T 2, gas se izotermno kompresuje, prenoseći energiju Q 2 u frižider. Povratak plina u prvobitno stanje je adijabatski.
Efikasnost idealnog Carnotovog toplotnog motora, kada se tačno izračuna, jednaka je omjeru temperaturne razlike između uređaja za grijanje i hlađenje prema temperaturi koju grijač ima. To izgleda ovako: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Moguća efikasnost toplotnog motora, čija je formula: η= 1 - T 2 / T 1 , zavisi samo od temperature grejača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.
Štaviše, ovaj odnos nam omogućava da dokažemo da efikasnost toplotnih motora može biti jednaka jedinici samo kada frižider dostigne temperaturu. Kao što znate, ova vrijednost je nedostižna.
Carnotovi teorijski proračuni omogućavaju određivanje maksimalne efikasnosti toplotnog motora bilo kojeg dizajna.
Dokazan Carnotova teorema zvuči ovako. Proizvoljna toplotna mašina ni pod kojim uslovima ne može imati koeficijent efikasnosti veći od slične vrednosti efikasnosti idealnog toplotnog motora.
Primjer rješavanja problema
Primjer 1 Kolika je efikasnost idealne toplotne mašine ako je temperatura grejača 800°C, a temperatura frižidera 500°C niža?
T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C \u003d 500 K, η -?
Po definiciji: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Nije nam data temperatura frižidera, već ∆T = (T 1 - T 2), odavde:
η \u003d ∆T / T 1 = 500 K / 1073 K = 0,46.
Odgovor: efikasnost = 46%.
Primjer 2 Odrediti efikasnost idealnog toplotnog motora ako se zbog stečenog jednog kilodžula energije grejača izvrši 650 J korisnog rada Kolika je temperatura grejača toplotne mašine ako je temperatura rashladne tečnosti 400 K?
Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 \u003d?
U ovom problemu govorimo o termalnoj instalaciji, čija se efikasnost može izračunati po formuli:
Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za efikasnost idealnog toplotnog motora:
η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.
Nakon izvođenja matematičkih transformacija, dobijamo:
T 1 \u003d T 2 / (1- η).
T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).
Izračunajmo:
η= 650 J / 1000 J = 0,65.
T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.
Odgovor: η = 65%, T 1 = 1142,8 K.
Realni uslovi
Idealan toplotni motor je dizajniran sa idealnim procesima na umu. Rad se obavlja samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost je definirana kao površina ograničena Carnotovim ciklusnim grafom.
Zapravo, nemoguće je stvoriti uslove za proces promjene stanja gasa bez pratećih promjena temperature. Ne postoje materijali koji bi isključili razmjenu topline sa okolnim objektima. Adijabatski proces više nije moguć. U slučaju prijenosa topline, temperatura plina se mora nužno promijeniti.
Efikasnost toplotnih motora stvorenih u realnim uslovima značajno se razlikuje od efikasnosti idealnih motora. Imajte na umu da procesi u pravi motori događa se tako brzo da se varijacija unutrašnje toplinske energije radne tvari u procesu promjene njenog volumena ne može nadoknaditi prilivom topline iz grijača i povratkom u hladnjak.
Ostali toplotni motori
Pravi motori rade u različitim ciklusima:
- Otto ciklus: proces pri konstantnoj zapremini se menja adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
- Dizel ciklus: izobara, adijabat, izohor, adijabat;
- proces koji se odvija pri konstantnom pritisku zamjenjuje se adijabatskim, zatvarajući ciklus.
Stvorite ravnotežne procese u stvarnim motorima (da ih približite idealnim) pod uvjetima moderna tehnologija ne izgleda moguće. Efikasnost toplotnih motora je mnogo niža, čak i ako se ista uzme u obzir temperaturni uslovi, kao u idealnoj termo instalaciji.
Ali nemojte umanjiti ulogu proračunatog formule efikasnosti jer postaje polazna tačka u procesu rada na povećanju efikasnosti pravih motora.
Načini promjene efikasnosti
Kada se uspoređuju idealni i stvarni toplinski motori, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se uzeti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tečnosti jednaka temperaturi izduvnih gasova u motorima, kao što je slučaj kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem (skraćeno motori sa unutrašnjim sagorevanjem).
ICE je najčešći toplotni motor u našem svijetu. Efikasnost toplotnog motora u ovom slučaju zavisi od temperature koju stvara gorivo koje sagoreva. Značajna razlika između motora s unutrašnjim sagorijevanjem i parnih motora je spajanje funkcija grijača i radnog fluida uređaja u mešavina vazduh-gorivo. Sagorevanjem, mješavina stvara pritisak na pokretne dijelove motora.
Povećanje temperature radnih plinova postiže se značajnom promjenom svojstava goriva. Nažalost, to nije moguće činiti u nedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima svoju tačku topljenja. Otpornost na toplinu takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i sposobnost da značajno utječu na efikasnost.
Vrijednosti efikasnosti motora
Ako uzmemo u obzir temperaturu radne pare na čijem je ulazu 800 K, a izduvnog gasa 300 K, onda je efikasnost ove mašine 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Do ovakvog smanjenja dolazi zbog gubitaka topline prilikom zagrijavanja kućišta turbine.
Najveća vrijednost unutrašnjeg sagorijevanja ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti je pitanje bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva je problem na kojem se radi najbolji umovičovječanstvo.
