موتور حرارتی. راندمان موتور حرارتی

راندمان بالقوه موتور استرلینگ از سایر موتورهای مشابه بالاتر است، اما تلاش بسیار بیشتری برای بهبود موتورهای چرخه باز انجام شده است. نتایج مقایسه موتورهای مختلف از نظر کارایی آنها وجود ندارد بطور گسترده، زیرا همانطور که قبلا ذکر شد، سازندگان خودرو و کسانی که از تاسیسات ثابت استفاده می کنند، معمولا ترجیح می دهند موتورها را با مصرف سوخت موثر خاص مقایسه کنند. اگرچه این پارامتر به طور مستقیم با کارایی مرتبط است،

I - محدود کردن راندمان موتور استرلینگ؛ 2-استحکام نهایی مواد؛ 3 - محدود کردن راندمان موتور با احتراق اجباری. 4- کارایی بالقوه قابل دستیابی موتور استرلینگ. 5 - موتورهای احتراق داخلی; 6 - موتور بخار; 7- موتور استرلینگ.

با این وجود، در نظر گرفتن مستقیم نتایج اندازه گیری کارایی مفید است. یک تصویر عالی از عملکرد فعلی موتورها و مقادیر بالقوه بازده آنها، نموداری است که در کار گردآوری شده و در شکل ارائه شده است. 1.110 به شکل کمی تغییر یافته است.

مقادیر بازدهی که تاکنون برای موتورهای استرلینگ آزمایشی به دست آمده است در شکل 1 نشان داده شده است. 1.111.

بازده کارنو چرخه، %

برنج. 1.111. راندمان واقعی موتورهای استرلینگ تجربی طبق ناسا، Rpt CR-I59 63I، بازسازی شده توسط نویسندگان.

1 - داده های جنرال موتورز؛ 2 - داده های یونایتد استرلینگ (سوئد)؛ 3 - داده های شرکت های "فورد" و "فیلیپس".

ب. مصرف موثر سوخت خاص

قبل از مقایسه موتورهای خاص از نظر مصرف سوخت موثر خاص، مطلوب است که جمع آوری و خلاصه شود. اطلاعات بیشتردر مورد تفاوت عملکرد بین موتورهای مقایسه شده، با استفاده از ترکیبی از نتایج از طیف وسیعی از موتورهای معمولیهر نوع. لازم به ذکر است که تعداد زیادی ازنتایج مربوط به موتورهای استرلینگ بر روی دینامومترها و نه در آزمایشات خودرو به دست می آید و برخی از داده ها بر اساس محاسبات رایانه ای مدل هایی با درجه اطمینان کافی به دست می آیند. نتایج آزمایش‌های خودرو تا سال 1980 با داده‌های محاسبه‌شده با دقت کافی مطابقت نداشت، اما آنها راه‌هایی را برای درک پتانسیل موتور ترسیم کردند. مصرف سوخت موثر خاص انرژی های مختلف نیروگاه ها، که برای استفاده به عنوان منابع انرژی خودرو در نظر گرفته شده است، در شکل. 1.112.

این نمودار به وضوح مزایای موتور استرلینگ را در کل محدوده شرایط کاری نشان می دهد. از آنجایی که مصرف سوخت موثر خاص هم به عنوان تابعی از سرعت و هم به عنوان تابعی از بار در نظر گرفته می شود، در شکل. 1.113 و 1.114 منحنی های متناظر را برای دامنه کامل سرعت های عملیاتی به ترتیب در 50% و 20% بار کامل نشان می دهد.

مزایای موتور استرلینگ در این مورد نیز بسیار واضح است. داده های ورودی برای این نمودارهای خلاصه

1-دیزلی با سیستم معمولیمصرف؛ 2 - دیزل توربوشارژ; موتور 3 بنزینی با احتراق اجباری و شارژ همگن؛ توربین گاز 4 تک شفت; توربین گازی 5 دو شفت; 6 - موتور استرلینگ.

ایکس*^ ج

■e-b در -0.2

J____ I___ I___ L

سرعت / حداکثر سرعت

برنج. 1.113. مقایسه مصرف سوخت موثر ویژه نیروگاه های مختلف در بار 50 درصد.

توربین گازی 1 تک شفت; توربین گاز 2 شفت; 3 - دیزل توربوشارژ; موتور 4 بنزینی با احتراق اجباری و شارژ همگن؛ 5 موتور استرلینگ.

از سر کار گرفته شدند. همانطور که قیمت سوخت همچنان در حال افزایش است، مصرف موثر خاص در حال تبدیل شدن به یک ویژگی تعیین کننده است، و در حالی که اکتشاف و تحقیقات فعال در سایر منابع انرژی ادامه دارد، شکی وجود ندارد که سوخت های هیدروکربنی منبع اصلی انرژی برای آینده قابل پیش بینی باقی خواهند ماند. . علاوه بر این،

حتی با افزایش قیمت های نجومی، کاهش مصرف سوخت ناچیز خواهد بود. تجربه غرب نشان می دهد که از آغاز بحران نفت در دهه 1970، قیمت نفت تأثیر چندانی بر مصرف سوخت نداشته است. مطالعه ای که در سال 1980 توسط وزارت انرژی ایالات متحده منتشر شد، نشان داد که حتی افزایش 100 درصدی قیمت سوخت تنها باعث کاهش مصرف سوخت می شود.

II٪. اگر مصرف سوخت به شدت تحت تأثیر عوامل اقتصادی قرار نگیرد، بعید است که کاهش یابد و تسلیم فشار سیاسی شود. تأثیر مقررات رسمی با هدف مصرف سوخت نیز مشکل ساز است.

بدیهی است، کاهش در خاص مصرف موثرمصرف سوخت می تواند به کاهش مصرف سوخت کمک کند، زیرا کاهش 10 درصدی در مصرف سوخت، به عنوان مثال، بیش از 305 میلیون لیتر نفت خام وارداتی در روز را برای ایالات متحده صرفه جویی می کند، که معادل صرفه جویی بیش از 5 میلیارد دلار در سال است. به طور کلی، با این حال، این یک پس انداز بسیار کوچک است. بنابراین، در حالی که کاهش بهره وری خاص سوخت مهم است، راه حلی برای مشکل انرژی برای اکثر کشورها ارائه نمی دهد. منابع انرژی جایگزین هیدروکربن های مایع ممکن است در آینده قابل پیش بینی اثر ملموس تری داشته باشند و مشکلات مرتبط با این موضوع بعدا مورد بررسی قرار خواهند گرفت. علاوه بر این، باید توجه داشت که در دسترس بودن انرژی به اندازه هزینه آن قابل توجه است.

ب. قدرت توسعه یافته

مقایسه معتبر در این زمینه فقط بر اساس نسبت جرم به توان توسعه یافته قابل انجام است و موتورهای مقایسه شده باید برای همان کاربرد طراحی شوند. در مرحله بعد، لازم است نسبت جرم کل نیروگاه به توان توسعه یافته مقایسه شود. نیروگاهی که برای استفاده در خودرو در نظر گرفته شده است، شامل واحدهای انتقال نیرو خواهد بود، باطری های قابل شارژ، سیستم خنک کننده و غیره. برای موتورهایی که برای مقایسه انتخاب شده اند، این داده ها در شکل ارائه شده است. 1.115 و 1.116.

در هر دو مورد، همانطور که از نمودارها مشخص است، موتور استرلینگ فاقد آن است مزایای روشنبا این حال، باید در نظر داشت که در توسعه موتورهای استرلینگ، هنوز توجه کمی به بهینه سازی نسبت قدرت به وزن نشده است که در نتایج ارائه شده منعکس شد. نمی توان روی این واقعیت حساب کرد که چنین بهینه سازی وجود دارد فرصت های بزرگاز سوی دیگر، اشتباه است که بگوییم نتایج به دست آمده حد است. در برنامه توسعه موتور ایالات متحده که قرار بود تا سال 1984 به شروع تولید برسد، تلاش زیادی برای کاهش وزن موتور انجام می شود. باید در نظر داشت که همانطور که در جدول نشان داده شده است. 1.7، موتورهای استرلینگ (مانند توربین‌های گازی تک شفت) به دلیل ویژگی‌های عملکرد ذاتی خود، نیازی به داشتن رتبه‌بندی قدرت مشابه سایر موتورها ندارند و بنابراین ممکن است سبک‌تر از موتورهای خودروهای موجود باشند.

فاکتور دیگری که باید در نظر گرفت اندازه موتور برای یک توان معین است. این عامل نه تنها از نظر فشردگی، بلکه به عنوان مثال هنگام نصب بر روی یک کشتی از نظر از بین رفتن حجم مفید انبار مهم است. مشخص شده است که موتور استرلینگ می گیرد

برنج. 1.115. نسبت بین جرم موتور و قدرتی که برای نیروگاه ها ایجاد می کند انواع مختلف.

1- دیزل با سیستم مکش معمولی.

2- موتور استرلینگ; 3 دیزل توربوشارژ; 4 - موتور بنزینی با احتراق اجباری و شارژ لایه ای. 5 - موتور بنزینی با احتراق اجباری و شارژ همگن. 6 - توربین گازی دو شفت; 7- توربین گازی تک شفت.

برنج. 1.116. نسبت بین جرم تاسیسات و توان توسعه یافته توسط آن برای نیروگاه های انواع مختلف.

1 - دیزل با سیستم مکش معمولی. 2 - موتور استرلینگ; 3 - دیزل توربوشارژ; 4 - موتور بنزینی با احتراق اجباری و شارژ لایه ای. G "- موتور بنزینی با احتراق اجباری و شارژ همگن؛ موتور 6 روتور با احتراق اجباری؛ 7-توربین گازی دو شفت; 8 - توربین گازی یک .

تقریباً فضایی مشابه یک دیزل معادل. داده های جدیدتر به شما امکان می دهد جدول خلاصه ای از نسبت توان به حجم اشغال شده را تهیه کنید موتورهای مختلفتوان 78-126 کیلو وات (جدول 1.8).

جدول 1.8.نسبت قدرت موتور آربه حجم V،توسط نیروگاه اشغال شده است

از جدول برمی آید که موتورهای احتراق مثبت با شارژ همگن هنوز از همه موتورهای دیگر در این شاخص بهتر عمل می کنند ، با این حال ، موتورهای امیدوار کننده با بار لایه ای چنین مزیت غیرقابل انکاری مانند موتورهای با شارژ همگن نخواهند داشت. اگر از قطعات سرامیکی در موتورهای استرلینگ و توربین های گازی استفاده شود، ممکن است وضعیت به طرز چشمگیری تغییر کند. در سطح مدرن پیشرفت فنیموتور استرلینگ به طور کلی برتر است موتورهای دیزلی.

تغییرات گشتاور موتور استرلینگ به عنوان تابعی از سرعت و فشار قبلاً در مقایسه با سایر نیروگاه ها در نظر گرفته شده است. هنگام استفاده از این موتور در خودرو، ویژگی های ویژگی های گشتاور-سرعت آن به ویژه از نقطه نظر شتاب موثر خودرو مطلوب است و به ساده سازی و ارزان شدن واحدهای انتقال کمک می کند. با این حال، برای تکمیل تصویر، لازم است چند کلمه در مورد نوسانات گشتاور چرخه ای گفته شود. ادبیات گزارش می دهد که موتور استرلینگ تغییرات گشتاور نرم تری نسبت به سایر موتورهای رفت و برگشتی دارد. منظور از "صاف" این است که تغییر گشتاور با تغییر زاویه چرخش میل لنگ این موتور نسبتاً کم است. ما عمداً از کلمه "ظاهرا" استفاده کردیم زیرا
وقتی از ما پرسیده شد که دقیقاً اصطلاح "صاف" به چه معناست، نمی توانیم تعریف روشنی ارائه دهیم. این موضوع در فصل به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است. 2. در اینجا توجه به این نکته کافی است که تغییر گشتاور بسته به زاویه چرخش میل لنگ y موتور چند سیلندراسترلینگ کمتر از مثلاً یک موتور با احتراق اجباری است (شکل 1.117).

نوسانات گشتاور کوچکتر نیز به این معنی است که نوسانات سرعت زاویهایموتور استرلینگ نیز به طور قابل توجهی کمتر از سایر موتورها است. این بیانیه البته در مورد موتورهای بدون فلایویل صدق می کند. در عمل، این بدان معنی است که موتورهای استرلینگ را می توان به چرخ طیار کم حجم تر مجهز کرد و راه اندازی موتور استرلینگ به تلاش مکانیکی کمتری نیاز دارد. علاوه بر این، به دلیل نوسانات چرخه ای کوچک در گشتاور و سرعت چرخش، موتورهای استرلینگ ممکن است برای ژنراتورهای الکتریکی مستقل مناسب تر باشند.

با این حال، این ادعاها باید تأیید شوند زیرا اگرچه نسبت گشتاور اوج 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 گازوئیل دو زمانهو نصف دیزل چهار سیلندر چهار زمانه.

برآورد هزینه همیشه دشوار است و پیش بینی آن با در نظر گرفتن تحولات آتی بسیار نادرست است. با این حال، شکی نیست که چنین ارزیابی برای مقایسه موتورهای جایگزین، در حالی که گران ترین قطعات را در نظر می گیرد، ضروری است. هزینه یک موتور استرلینگ تقریباً 1.5 تا 15 برابر بیشتر از یک دیزل معادل است. این ارزیابی بر اساس ادبیات فنی انجام شده است. در کنفرانس ها و جلسات فنی ارائه شد. در نگاه اول، این ارزیابی بی اساس به نظر می رسد، اما به احتمال زیاد.

درست است و از آنچه در ادامه می آید روشن خواهد شد. ادعاهای غیرمستند در مورد ارزش درک شده بی معنی هستند، اما متأسفانه چنین ادعاهایی در بسیاری از نشریات مطرح شده است. با این حال، تحقیقات دقیق تری در این زمینه اکنون از طریق برنامه هایی که توسط وزارت انرژی ایالات متحده سفارش داده شده است در دسترس است.

هزینه را می توان با عوامل مختلفی تعیین کرد که مهمترین آنها عبارتند از:

1) هزینه های کار؛

2) مواد؛

3) تجهیزات سرمایه ای؛

4) تجهیزات تولید؛

5) بهره برداری و نگهداری؛

6) توسعه طراحی

این فهرست به هیچ وجه کامل نیست. بسیاری از اجزای هزینه به طور مستقیم به تولید انبوه بستگی دارد. اگرچه این امر بدیهی است، اما تکرار مجدد این بیانیه ضرری ندارد، زیرا این جنبه از ارزش گذاری در بسیاری از نشریات نادیده گرفته شده است. وابستگی اقتصاد به مقیاس خروجی می تواند به این معنی باشد که یک نوع موتور در دسته های کوچک گران تر از دیگری است، اما با افزایش تولید ارزان تر است. لازم است که محدوده موتور را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، هزینه یک موتور خودرو تنها کسری کوچک از هزینه کل یک خودرو است، بنابراین هنگام مقایسه هزینه موتورهای مختلفباید در نظر داشت که تفاوت قابل توجهی در قیمت موتورها ممکن است در هنگام نصب این موتورها تأثیر محسوسی بر قیمت خودرو نداشته باشد. این ویژگی را می توان با یک محاسبه ساده نشان داد. اگر مثلاً فرض کنیم که قیمت یک موتور 10 درصد کل هزینه یک خودرو باشد، اگر قیمت خودرو 6000 دلار باشد، قیمت موتور 600 دلار خواهد بود. سپس هزینه کلقیمت این خودرو 6600 دلار خواهد بود که تنها 10 درصد بیشتر است و خریدار ممکن است مایل به پرداخت قیمت کمی بالاتر برای وسیله نقلیه مناسب تر باشد.

قبل از بررسی هزینه و هزینه ها در شرایط تولید صنعتی، مایلیم بر اساس تجربه خودمان، تکامل هزینه را هنگام ساخت یا خرید نمونه اولیه موتور استرلینگ یا موتوری از این نوع که برای اهداف تحقیقاتی در نظر گرفته شده است، در نظر بگیریم. قدرت چنین موتورهایی محدود به 100 کیلو وات در نظر گرفته خواهد شد. قیمت خرید چنین موتوری با در نظر گرفتن سطح قیمت سال 1981 حدود 6700 دلار بر کیلووات خواهد بود. یکی Io است، اگر موتور توسط همان سازمانی ساخته شود که از آن استفاده می کند، یا توسط شخص ثالثی با مستندات دقیق و طراحی ماشین ساخته شود، هزینه آن در محدوده 100-3500 USD/kW خواهد بود. با تبدیل شدن موتور استرلینگ به جریان اصلی و کمتر "تحقیق"، هزینه آن به شدت کاهش خواهد یافت. یکی از تولید کنندگان موتورهای کوچکاسترلینگ (کمتر از 1 کیلو وات) معتقد است که با تولید 1000 موتور در سال، هزینه یک موتور در مقایسه با هزینه آن برای تولید انفرادی می تواند 30 برابر کاهش یابد.

این وابستگی هزینه به مقیاس تولید توسط مطالعات اخیر بر روی تعدادی از موتورها تأیید شده است انرژی خورشیدیتوسط آزمایشگاه انجام می شود موتور جت(ایالات متحده آمریکا) . مقایسه ای بین موتور استرلینگ و توربین گازیدر تغییرات طراحی شده برای استفاده از انرژی خورشیدی. توربین گاز به طور ویژه توسط Garrett طراحی شد و موتور استرلینگ از سری تولید شده توسط United Sterling گرفته شد. جدول 1.9.

جدول 1.9.وابستگی هزینه به حجم خروجی (مقایسه موتور استرلینگ و توربین گاز)

کل هزینه واحد، USD/kWh

کل هزینه واحد شامل هزینه های پرداخت می شود نیروی کار، هزینه مواد، هزینه تجهیزات و ابزارهای سرمایه ای. تاثیر حجم تولید بر ارزش را می توان به وضوح از داده های ارائه شده مشاهده کرد. کل هزینه واحد یک توربین گازی با افزایش خروجی 3 برابر کاهش می یابد، در حالی که همین شاخص موتور استرلینگ بیش از 6 برابر کاهش می یابد. موتور استرلینگ با حجم تولید کم، بیش از 50 درصد گرانتر از توربین گازی است و با تولید سالانه 400000 موتور، 30 درصد ارزانتر است. برای اهداف ما، 400000 موتور در سال کمی زیاد به نظر می رسد، اما برای موتورهای خودرو، این می تواند طبیعی تلقی شود.

سازندگان بالقوه موتورهای استرلینگ بیشتر به هزینه تخمینی این موتورها برای استفاده در خودرو علاقه مند خواهند بود. هزینه تولید در جدول آورده شده است. 1.10 را در نظر بگیرید

جدول 1.10.هزینه ساخت موتورهای خودروبا حجم تولید 400000 قطعه در سال (به قیمت سال 1360)

هزینه‌های نیروی کار، هزینه مواد، تجهیزات سرمایه‌ای و ابزار را در بر می‌گیرد و ساختار هزینه‌اش تا حد زیادی شبیه به آن چیزی است که برای موتورهای خورشیدی محاسبه می‌شود. با این حال، در نسخه خودروییموتورها طراحی پیشرفته تری نسبت به نوع موتور خورشیدی دارند. موتورهای استرلینگ و توربین های گازی به مواد ویژه متفاوتی نسبت به موتورهای معمولی نیاز دارند. البته، این تا حد زیادی به شرایط عرضه و بازار مربوط می شود، بنابراین اگر موتور استرلینگ یا توربین گازی موتورهای "معمولی" باشند، مواد برای آنها می تواند هزینه کمتری داشته باشد، زیرا صنعت معدن و صنعت فولاد متمرکز می شود. در مورد تولید این مواد، و مواد برای تولید موتورهای احتراق مثبت و دیزل ها "ویژه" خواهند شد. علاوه بر این، مواد خاصاغلب به تجهیزات تولید ویژه مربوطه نیاز دارند که به افزایش هزینه اضافی کمک می کند. با توجه به مواد و تجهیزات تولیدی که در حال حاضر در صنعت خودرو استفاده می شود، می توان انتظار داشت که از نظر هزینه، موتورهای معمولیترجیح داده خواهد شد. برای روشن شدن این جنبه از شکل گیری هزینه های ساخت، در جدول. 1.10 هزینه موتورهای دو درجه قدرت (75 و 112 کیلووات) و همچنین درصد کل هزینه قابل انتساب به مواد و تجهیزات تولید را نشان می دهد.

مصرف کنندگان موتور به قیمت های فروش علاقه مند هستند، نه هزینه های ساخت، که جای تعجب نیست. بنابراین، در جدول. 1.11 قیمت فروش موتورهای خودرو با تولید سالانه 400000 دستگاه را نشان می دهد. همچنین تفاوت قیمت نسبت به معمول وجود دارد موتور بنزینیبا احتراق اجباری و شارژ همگن (GZB).

قدرت موتور 75 کیلو وات قدرت موتور 112 کیلو وات جدول 1.11.قیمت فروش موتور خودرو با حجم تولید 400000 دستگاه در سال (به قیمت سال 1360) نوع موتور خاص اختلاف قیمت خاص اختلاف قیمت نسبت به در رابطه USD/kW USD/kW موتور اجباری احتراق بدنه و سپیده دم همگن موتور اجباری احتراق بدنه و شارژ لایه ای گاز دو شفت موتور استرلینگ

از نظر هزینه ساخت و قیمت فروش، موتورهای استرلینگ نسبت به سایر موتورها گرانتر هستند، اگرچه با حجم تولید و کاربرد مطلوب می توانند نسبت به رقبای خود مقرون به صرفه تر شوند. اما کاملا مشخص است که با افزایش قدرت موتورهای استرلینگ و حجم تولید آنها، از نظر اقتصادی رقابتی تر خواهند شد. رابطه بین اجزای هزینه مورد بحث در این بخش در شکل نشان داده شده است. 1.118.

توزیع کل هزینه موتور استرلینگ با واشر مورب شرکت فورد با توجه به عناصر ساختاری تشکیل دهنده نیروگاه در جدول آورده شده است. 1.12 برای خروجی سالانه 400000 عدد. .

مبدل های حرارتی بالاترین هزینه نسبی را دارند و این شرکت به دنبال کاهش این هزینه به حدود 17 درصد از طریق بهبود طراحی و فناوری ساخت بود تا زمانی که برنامه بهبود موتور استرلینگ وجود نداشت.

حتی اگر از مواد ارزان‌تر برای موتور استرلینگ استفاده شود و حجم تولید مناسبی حاصل شود، حتی در این مورد نیز بعید است که موتور استرلینگ ارزان‌تر از مثلاً یک موتور با احتراق مثبت و بار همگن باشد. با این حال، همانطور که در بالا توضیح داده شد، ممکن است مصرف کننده مایل به خرید باشد هزینه های اضافیبرای مزایایی که با این موتور همراه خواهد بود. در صورتی که بتوان به پتانسیل موتور برای صرفه جویی در مصرف سوخت پی برد و روغن کاریو افزایش دوام نصب شده و سپس کاهش هزینه کارکرد موتور استرلینگ می تواند منجر به صرفه جویی در هزینه کل خرید و بهره برداری شود.
حمله موتور، که باید مصرف کننده را بیشتر از ملاحظات تبدیل انرژی و محیطی تحت تاثیر قرار دهد. توجه ویژه به چنین پس انداز باید در غرب اروپا، که در آن "اقتصادی" اتومبیل با پرداخت می شود جریان کمسوخت ها محبوب تر می شوند، اگرچه هزینه اولیه چنین خودروهایی بسیار کمتر از لوکس تر نیست، اما کمتر مقرون به صرفه است.

ماشین های جدید جالب اینجاست که در بازار خودروهای کارکرده، یک خودروی "اقتصادی" اغلب با قیمتی بالاتر از "برادران" خود به فروش می رسد. طبقه بالا. محاسبه سود کلی که می توان از موتور استرلینگ انتظار داشت توسط United Sterling برای مورد نصب موتور بر روی کامیون انجام شد. داده‌های منتشر شده به سطح قیمت‌ها در سال 1973 اشاره دارد، اما افزایش فاجعه‌بار تورم متعاقب آن و افزایش تصاعدی قیمت‌های سوخت و روان‌کننده‌ها، تبدیل نتایج به سطح قیمت‌ها در سال 1981 را دشوار می‌کند، در حالی که در عین حال برآورد هزینه‌ها را در سال 1973 منتشر می‌کند. سطح اینجا. به سختی مفید است.

نسبت سودآوری اقتصادی (ER) با استفاده از فرمول زیر محاسبه شد:

(تفاوت در هزینه ____ / تفاوت H اولیه

__ عملیات / V ___________________ هزینه _______)

در این مورد، تفاوت بین نشانگرهای مربوط به موتور استرلینگ و موتور دیزل معادل تعیین می شود.

از نتایج به‌دست‌آمده توسط United Stirling و تصحیح شده توسط نویسندگان (شکل 1.119)، نتیجه می‌شود که با مسافت پیموده شده 16000 کیلومتر در سال، CER \u003d 0 پس از 4.1 سال کارکرد؛ به عبارت دیگر، در این مدت، هزینه های عملیاتی کمتر موتور استرلینگ در مقایسه با موتور دیزل، هزینه اولیه بزرگ آن را متعادل می کند و پس از 5.7 سال، CEP به مقدار 0.5 می رسد، یعنی صرفه جویی معادل نیمی از تفاوت در سرمایه اولیه حاصل خواهد شد.

پیوست ها. با مسافت پیموده شده سالانه 100000 کیلومتر - میانگین برای اروپا با بین المللی حمل و نقل جاده ای- سرمایه گذاری اضافی اولیه پس از 2-3 ماه بهره برداری پرداخت می شود. این نتایج برای یک خودرو به دست می آید. محاسبه مشابهی که برای موتورسیکلت انجام شد نتایج مطلوب تری را به همراه داشت. حتی این بررسی کوتاهمسائل مربوط به هزینه موتورهای استرلینگ، به ما اجازه می دهد تا یک نتیجه معقول بگیریم که این موتور، اگرچه هزینه ساخت بالایی دارد، اما به طور بالقوه هزینه کمتری برای کارکرد دارد. با افزایش بیشتر قیمت فرآورده های نفتی و مشکلات در دستیابی به آنها، مزایای موتور استرلینگ ممکن است حتی ملموس تر شود.

اگرچه موتور استرلینگ می تواند با انواع منابع انرژی کار کند، اما مسلم است که حتی در آغاز قرن آینده، سوخت های هیدروکربنی منبع اصلی انرژی برای حمل و نقل زمینی باقی خواهند ماند. این بدان معنا نیست که سوخت های هیدروکربنی همچنان از منابع موجود بدست می آیند و ظاهر مدرن خود را حفظ می کنند. این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد، زیرا ممکن است مزایای اقتصادی بیشتری به دلیل توانایی موتور استرلینگ برای کار با انواع مختلف سوخت وجود داشته باشد. بنابراین، در ادامه بحث قابلیت ساخت موتور استرلینگ، امکان استفاده از سوخت های هیدروکربنی جایگزین را بررسی خواهیم کرد.

اگرچه این موضوع جدا از هزینه در نظر گرفته می شود، اما در واقع هزینه ساخت با قابلیت ساخت ارتباط مستقیم دارد. با این حال، برای وضوح بیشتر ارائه، راحت تر است که مسائل مربوط به قابلیت ساخت را جداگانه در نظر بگیرید. همانطور که از جدول مشخص است. 1.10، موتور استرلینگ گرانتر از سایر گزینه های موتور خودرو است. اجزای این هزینه در جدول آورده شده است. 1.12. دلیل اصلی چنین هزینه نسبی بالای موتور استرلینگ، استفاده از آلیاژهای پر آلیاژ برای ساخت مبدل های حرارتی است. طراحی مبدل های حرارتی شامل استفاده از فناوری لحیم کاری بسیار گران قیمت و مواد گران قیمت برای لحیم کاری است، در حالی که طول درزهای لحیم کاری شده بسیار قابل توجه است. تلورانس ها روی سطوح ماشینکاری شده قطعات موتور استرلینگ تنگ تر است که نتیجه چرخه کاری بسته است. برای موتورهای استرلینگ پیستون آزاد، کیفیت ماشینکاری احتمالاً مهمترین نیاز برای عملکرد صحیح موتور است.

مونتاژ قطعات مکانیکی اصلی موتور استرلینگ باید با دقت زیادی انجام شود، به خصوص مونتاژ دستگاه های آب بندی. هر گونه عدم دقت در مونتاژ منجر به خرابی موتور می شود. مهر و موم های رول استوک مخصوصاً در معرض دستکاری مونتاژ هستند و نصب چنین مهر و موم نازک و شکننده ای مستلزم تمیزی کامل محل مونتاژ است.

جدول 1.13.زمان صرف شده برای ساخت موتور (توزیع بر اساس نوع کار) سهم زمان صرف شده، % نوع کار موتور Sgirlnng مجمع ریخته گری ترمیم مکانیکی جدول 1.14.هزینه تجهیزات ساخت و (به قیمت 1981) سازه های هزینه، USD/موتور نوع تجهیزات موتور استرلینگ تجهیزات مکانیکی ماشینکاری (ماشین آلات) تجهیزات ریخته گری ابزار ساخت و ساز سرمایه مجموع سرمایه گذاری

زمان ساخت موتورهای استرلینگ تقریباً برابر با سایر موتورها است، اما به دلایل ذکر شده در بالا، صلاحیت پرسنل باید بالاتر باشد. اگرچه زمان مونتاژ ممکن است مانند سایر موتورها باشد، اما توزیع این زمان برای عملیات فردی متفاوت خواهد بود و البته این ممکن است بر هزینه کلی تأثیر بگذارد. ملاحظات بیان شده در این بحث مختصر با داده های ارائه شده در جدول تأیید می شود. 1.13 و 1.14. کل زمان صرف شده برای ساخت یک موتور بدون توجه به نوع موتور 10 ساعت در نظر گرفته شده است.

جداول نشان می‌دهند که اگرچه ریخته‌گری قطعات موتور استرلینگ به همان اندازه زمان می‌برد که برای ریخته‌گری قطعات موتور با احتراق مثبت، هزینه تجهیزات ریخته‌گری برای موتور اول دو برابر بیشتر است. بر این اساس، سرمایه‌گذاری اولیه بالایی که برای ساخت کارخانه‌های موتور استرلینگ لازم است، باید انتظار داشت، و این احتمالاً سکوت سازندگان موتور را در تصمیم‌گیری برای یک برنامه تولید بزرگ توضیح می‌دهد: آن‌ها منتظر لحظه‌ای هستند که همه تردیدها در مورد توانایی این موتور وجود داشته باشد. برای تحقق بخشیدن به آنها مزایای بالقوه. دلایل اینکه چرا هزینه 1 کیلووات توسعه یافته توسط یک موتور آزمایشی سفارشی استرلینگ بسیار زیاد است نیز کاملا قابل درک است.

ز. منابع انرژی جایگزین

بحران انرژی که رخ داد تنها به یک منبع انرژی مربوط می شود - نفت خام و سوخت های هیدروکربنی مایع حاصل از آن. در طول دهه گذشته (1971-1981)، نتیجه بحران افزایش تصاعدی قیمت سوخت و همچنین مشکل حفظ منابع سوخت مطمئن بوده است. با این حال، باید به خاطر داشت که سیاره ما دارای ذخایر نامحدود نفت خام نیست، اگرچه سال ها طول می کشد تا ذخایر موجود به اندازه کافی تمام شود تا تأثیر جهانی قابل توجهی داشته باشد. این بحران با توزیع نابرابر نفت در مناطق تشدید شد، به طوری که در حال حاضر کشورهای بسیار کمی هستند که نیاز نفت خود را تامین می کنند و کشورهای بسیار کمی هستند که دارای چنین مقدار نفت هستند که مازاد زیادی داشته باشند. اکثر کشورها مجبورند مقداری یا حتی تمام کالاهای مورد نیاز خود را وارد کنند سوخت هیدروکربنی، که مقدار قابل توجهی ارز خارجی می گیرد. تا سال 1980، 44.6 درصد از انرژی مصرفی جهان توسط نفت خام تامین خواهد شد و این عدد نشان دهنده دشواری وحشتناک حل مشکل است.

ساختار مصرف انرژی از کشوری به کشور دیگر متفاوت است، اما ما الگوی مصرف ایالات متحده را به عنوان مثال در نظر گرفتیم، زیرا ایالات متحده بیش از هر کشور دیگری انرژی مصرف می کند. ساختار مصرف برای سال 1977 در جدول آورده شده است. 1.15.

مصرف هیدروکربن های مایع در ایالات متحده آمریکا مشابه مصرف جهانی است و 48.8 درصد از کل مصرف انرژی را به خود اختصاص می دهد که معادل 795 میلیون تن در سال است. 54.5 درصد از این سوخت صرف نیاز حمل و نقل می شود. آمریکا باید 50 درصد نفت مورد نیاز خود را وارد کند که حدود 375 میلیون تن در سال است و میلیاردها دلار هزینه دارد. طبیعتاً چنین هزینه هایی جستجوی جایگزین را تشویق می کند

سوخت های تیونی با این حال، جایگزینی هیدروکربن‌های مایع به‌عنوان منابع انرژی، یک کار دشوار است و به سال‌ها تحقیق و توسعه فشرده نیاز دارد. استفاده از انرژی خورشیدی و زمین گرمایی و انرژی باد می تواند به حل مشکل کمک کند، اما توسعه این منابع در حال حاضر نشان می دهد که به طور کلی حداقل تا آغاز قرن آینده اهمیت چندانی نخواهند داشت. پیش بینی می شود که نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های برق آبی تا سال 1990 حدود 15 درصد از مصرف انرژی را تامین کنند. این بدان معناست که حدود 40 درصد از مصرف انرژی جهان بر روی سهم نفت باقی خواهد ماند. با این حال، همه اینها منابع جایگزینتاثیر کمی بر مصرف نفت حمل و نقل خواهد داشت مگر اینکه حمل و نقل ریلی افزایش یابد و راه‌آهن‌ها کاملاً برقی شوند. با این وجود مشکل تامین سوخت حمل و نقل بدون ریل مسافر و بار همچنان پابرجاست. بدیهی است که سه احتمال وجود دارد:

1) استفاده از منابع سوخت فسیلی به غیر از نفت.

2) استفاده از هیدروکربن ها با درجه تصفیه کمتر.

3) استفاده از هیدروکربن های مایع مصنوعی.

گزینه 1 با مشکلات متعددی همراه است که در میان آنها وجود ندارد آخرین مکانبرای تامین انرژی معادل 795 میلیون تن نفت، که 4-1018 ژول است، نیاز است. در آینده نزدیک، افزایش تولید این سوخت ها در کارخانه های موجود امکان پذیر است، و اگرچه این به حل مشکل کمک می کند، مشکل دیگری ایجاد خواهد شد - نحوه استفاده از این سوخت ها در موتورهای مدرن.

برای نیروگاه هایی با ورودی گرمای خارجی، مانند موتورهای استرلینگ و موتورهای بخار، این مشکلی ایجاد نخواهد کرد. این مشکل اساساً برای یک توربین گاز ثابت قدرتمند قابل حل است. همانطور که از جدول مشاهده می شود، دیگر موتورهای در نظر گرفته شده چندان آسان نیستند که با سوخت های جایگزین سازگار شوند. 1.16، جایی که علامت X نشان دهنده امکان استفاده از این سوخت است، علامت OX نشان دهنده امکان مشکل ساز چنین استفاده ای است و خط تیره به معنای عدم استفاده از سوخت است.

جدول 1.16.سازگاری موتورها با انواع سوخت

هواپیمایی

نوع سوخت GZB SZB گاز دیزل

بر اساس زغال سنگ

TOC o "1-3" h z مخلوطی از گرد و غبار زغال سنگ و باقیمانده - - - - OH

تقطیر روغن گاو

مخلوطی از گرد و غبار زغال سنگ و متانول - - - OH

سوخت مایع بر پایه زغال سنگ

بنزین XX - -

مخلوط سوخت دیزل و - X - X

سوخت های جت

نفت کوره سنگین (روغن سوخت) - - X

سوخت های مایع از شیل

بنزین XX-X

مخلوط سوخت دیزل و - X - X سوخت جت

سوخت مبتنی بر آلی-نفت - - X XX زباله

متانول XX XX

هیدروژن XX XX

متان XX XX

داده های جدول شکل 1.16 نشان می دهد که وضعیت چندان دلگرم کننده نیست و به نظر نمی رسد زمان زیادی برای بهبود در مورد گزینه 1 وجود داشته باشد.

گزینه 2 در مطبوعات رایج مورد حمایت قرار گرفت، اما اکتان و عدد ستانچنین هیدروکربن هایی برای عملکرد قابل اعتماد موتورهای موجود کافی نیستند. حتی اگر بتوان این موتورها را برای کار با این سوخت ها سازگار کرد، صرفه جویی در مصرف انرژی آنچنان که در نگاه اول به نظر می رسد قابل توجه نخواهد بود. تخمین زده می شود که هنگام استفاده از هیدروکربن های کمتر تصفیه شده، صرفه جویی می شود

انرژی بیش از 3.8٪ نخواهد بود و از آنجایی که استفاده از چنین سوخت هایی تأثیر نامطلوب خواهد داشت هزینه های واحدسوخت و در محتوای انتشار گازهای گلخانه ای در جو، این گزینه نیز راه حلی برای مشکل نیست.

بدین ترتیب، تنها گزینهآنچه باقی می ماند تولید هیدروکربن های مایع مصنوعی است، یعنی هیدروکربن هایی که نه از نفت فسیلی، بلکه از زغال سنگ، شیل نفتی، ماسه های قیر به دست می آیند. از معایب این گزینه می توان به هزینه های بالای انرژی برای فرآیند به دست آوردن سوخت های مصنوعی اشاره کرد. به عنوان مثال، سوخت های مایع حاصل از زغال سنگ، به ویژه آنهایی که برای موتورهای احتراق مثبت در نظر گرفته شده اند، تا 40 درصد از انرژی موجود در منبعی را که از آن به دست می آیند در طول تولید خود از دست می دهند. با این حال، تولید سوخت از زغال سنگ، که برای موتور استرلینگ در نظر گرفته شده است، نیازی ندارد تکنولوژی پیچیدهو انرژی بسیار کمتری برای بدست آوردن چنین سوختی صرف می شود. از مطالب فوق نتیجه می گیرد که برای محاسبه بازده حرارتی کلی یک تاسیسات که بر روی سوخت مصنوعی کار می کند، لازم است راندمان تبدیل نوع اصلی انرژی به شکل مناسب برای استفاده در این تاسیسات نیز در نظر گرفته شود. نتایج چنین محاسباتی در جدول ارائه شده است. 1.17.

جدول 1.17.بازده حرارتی مشخص کننده تبدیل انرژی موجود در منبع سوخت به کار مفید در خروجی موتور

سوخت مصنوعی

بهره وری موتور جنرال، بهره وری،

نفت شیل

توربین گاز SZB

موتور استرلینگ

بر اساس این نتایج، گزینه 3 جذاب تر به نظر می رسد، با این تفاوت که همه موتورهای امیدوارکننده ای که نتایج رضایت بخشی برای آنها به دست آمده است - موتورهای احتراق مثبت طبقه بندی شده، موتورهای دیزلی توربوشارژ، موتورهای استرلینگ و توربین های گازی - نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی دارند. تولید در حجم برای اطمینان از سودآوری آنها. گزینه 3 اصلاح شده امکان استفاده از مخلوط های قابل احتراق متشکل از سوخت های مصنوعی و بنزین حاصل از نفت را در نظر می گیرد. یکی از این مخلوط هایی که در میدان آزمایش شده است گازوهول (10٪ اتانول دانه بندی شده و 90٪ بنزین بدون سرب) است. نتایج آزمایش نشان داد که این مخلوط دارای خواص تقریباً یکسانی با بنزینی است که اساس آن را تشکیل می دهد و عملکرد موتور تقریباً مشابه بنزین را ارائه می دهد و پتانسیل انرژی تا حدودی کمتر در واحد حجم مخلوط با بالاتر بودن آن پوشش داده می شود. رتبه بندی اکتان. همچنین می توانید از مخلوط بنزین با متانول استفاده کنید.

با این حال، استفاده از مخلوط‌ها تنها کمی مشکل واردات نفت را کاهش می‌دهد، یعنی به نسبت درصد سوخت مصنوعی در مخلوط. در عین حال، سرمایه‌گذاری مورد نیاز برای ساخت کارخانه‌هایی برای تولید مقادیر نسبتاً کمی از چنین مخلوط‌هایی از توانایی‌های کشورهای کوچک و حتی بسیاری از شرکت‌های چندملیتی فراتر خواهد رفت. به عنوان مثال، طبق برآوردها، حداقل 10 میلیارد دلار برای تولید 17.2 میلیون تن گازوهل در سال تا سال 1990 (به عبارت دیگر، تنها 2٪ از کل تقاضا برای هیدروکربن های مایع) نیاز است. این محاسبه برای مخلوطی از اتانول با بنزین به نسبت 5: 95، به طوری که مقدار کل روغن مصرفی به میزان 5 درصد از 2 درصد کاهش می یابد، یعنی 0.1 درصد. با در نظر گرفتن قیمت های مدرنبرای فرآورده های نفتی، چنین ساخت و ساز 20 برابر بیشتر از خرید مقدار مربوطه نفت هزینه خواهد داشت.

از مطالب فوق چنین برمی‌آید که اگرچه ضرورت جست‌وجو برای منابع جایگزین سوخت را مجبور می‌کند، سرمایه‌گذاری هنگفتی لازم است تا این منابع بتوانند تا پایان ربع اول قرن آینده بر الگوی مصرف سوخت تأثیر بگذارند. به خصوص سوخت های مصنوعی. سنگین سوخت های نفتیو زغال سنگ می تواند بر الگوی مصرف سوخت نیروگاه های ثابت کوچک و بزرگ تأثیر بگذارد. برای نیروگاه های حمل و نقل، تنها راه چاره کاهش مصرف سوخت است و این نه تنها در مورد خودروها، بلکه در مورد کشتی های دریایی نیز صدق می کند، جایی که 72٪ از نیروگاه های داخلی موتورهای دیزلی هستند. کاهش نرخ مصرف سوخت، همانطور که قبلاً ذکر شد، فقط تا حدی مشکل را حل می کند: موتورهایی با مصرف سوخت به طور قابل توجهی کمتر تأثیر بیشتری بر مشکل صرفه جویی در انرژی خواهند داشت، به خصوص اگر بتوانند با انواع مختلف سوخت کار کنند. موتور استرلینگ نشان داده است که حتی در مرحله فعلی توسعه خود می تواند صرفه جویی قابل توجهی در مصرف سوخت داشته باشد. با این حال، با توجه به شدت فعلی تحقیق و توسعه، این صرفه جویی می تواند حتی بیشتر باشد. فورد در پایان برنامه موتور استرلینگ خود کاهش 38 درصدی مصرف سوخت با سطح اطمینان 73 درصدی و کاهش 81 درصدی مصرف سوخت با سطح اطمینان 52 درصدی را پیش بینی کرد.

ضریب اقدام مفید(کارایی) - اصطلاحی که شاید بتوان آن را برای هر سیستم و دستگاهی به کار برد. حتی یک فرد دارای کارایی است، اگرچه، احتمالاً، هنوز فرمول عینی برای یافتن آن وجود ندارد. در این مقاله به تفصیل توضیح خواهیم داد که راندمان چیست و چگونه می توان آن را برای سیستم های مختلف محاسبه کرد.

تعریف کارایی

بازده شاخصی است که کارایی یک سیستم خاص را در رابطه با بازگشت یا تبدیل انرژی مشخص می کند. بازده یک مقدار بدون اندازه گیری است و به صورت یک مقدار عددی در محدوده 0 تا 1 یا به صورت درصد نمایش داده می شود.

فرمول کلی

کارایی با نماد Ƞ نشان داده می شود.

فرمول ریاضی کلی برای یافتن بازده به صورت زیر نوشته شده است:

Ƞ=A/Q، که در آن A انرژی مفید/کار انجام شده توسط سیستم است و Q انرژی مصرف شده توسط این سیستم برای سازماندهی فرآیند به دست آوردن یک خروجی مفید است.

متأسفانه ضریب راندمان همیشه کمتر از یک یا مساوی با آن است، زیرا طبق قانون بقای انرژی، نمی‌توانیم بیشتر از انرژی مصرف شده به کار برسیم. علاوه بر این، کارایی، در واقع، بسیار به ندرت برابر با وحدت است، زیرا کار مفیدهمیشه با وجود تلفات همراه است، به عنوان مثال، برای گرم کردن مکانیسم.

راندمان موتور حرارتی

موتور حرارتی وسیله ای است که انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. در یک موتور حرارتی، کار با تفاوت بین مقدار گرمای دریافتی از بخاری و مقدار گرمای داده شده به کولر تعیین می شود و بنابراین راندمان با فرمول تعیین می شود:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн که Qn مقدار گرمای دریافتی از بخاری و Qх مقدار گرمای داده شده به کولر است.

اعتقاد بر این است که بالاترین راندمان توسط موتورهایی که در چرخه کارنو کار می کنند ارائه می شود. که در این موردبازده با فرمول تعیین می شود:

• Ƞ=T1-T2/T1، که در آن T1 دمای منبع گرم است، T2 دمای منبع سرد است.

راندمان موتور الکتریکی

موتور الکتریکی وسیله ای است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند، بنابراین راندمان در این حالت نسبت بازده دستگاه نسبت به تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. فرمول برای یافتن بازده موتور الکتریکی به صورت زیر است:

• Ƞ=P2/P1، جایی که P1 - شکست خورد برق، P2 - مفید است قدرت مکانیکیتولید شده توسط موتور

توان الکتریکی به عنوان حاصل ضرب جریان و ولتاژ سیستم (P=UI) و توان مکانیکی به عنوان نسبت کار به واحد زمان (P=A/t) یافت می‌شود.

راندمان ترانسفورماتور

ترانسفورماتور وسیله ای است که تبدیل می کند جریان متناوبیک ولتاژ به یک جریان متناوب ولتاژ دیگر، با حفظ فرکانس. علاوه بر این، ترانسفورماتورها همچنین می توانند AC را به DC تبدیل کنند.

کارایی ترانسفورماتور با فرمول بدست می آید:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n)، جایی که P0 - از دست دادن حالت حرکت بیکار، PL - تلفات بار، P2 - توان فعال تحویلی به بار، n - درجه نسبی بارگذاری.

کارایی یا عدم کارایی؟

شایان ذکر است که علاوه بر راندمان، تعدادی شاخص وجود دارد که کارایی فرآیندهای انرژی را مشخص می کند و گاهی اوقات می توان توصیفاتی از نوع - بازدهی در حد 130٪ پیدا کرد، اما در این مورد، شما نیاز دارید. درک اینکه این اصطلاح کاملاً درست استفاده نمی شود و به احتمال زیاد نویسنده یا سازنده با این مخفف ویژگی کمی متفاوت را درک می کند.

به عنوان مثال، پمپ های حرارتی با این واقعیت متمایز می شوند که می توانند گرمای بیشتری نسبت به مصرف خود منتشر کنند. بنابراین، دستگاه تبرید می تواند گرمای بیشتری نسبت به انرژی مصرف شده برای سازماندهی حذف، از جسم خنک شده خارج کند. نشانگر راندمان یک دستگاه سردخانه ضریب عملکرد نامیده می شود که با حرف Ɛ نشان داده می شود و با فرمول تعیین می شود: Ɛ=Qx/A، که در آن Qx گرمای حذف شده از انتهای سرد است، A کار صرف شده بر روی دستگاه است. فرآیند حذف اما گاهی اوقات ضریب عملکرد را راندمان دستگاه تبرید نیز می گویند.

همچنین جالب است که راندمان دیگ های بخار کار بر روی سوخت آلی، معمولاً با توجه به مقدار کالری کمتر محاسبه می شود ، در حالی که می تواند بیش از یک باشد. با این حال، هنوز به طور سنتی به عنوان کارایی شناخته می شود. می توان بازده دیگ را با ارزش حرارتی ناخالص تعیین کرد و سپس همیشه کمتر از یک خواهد بود، اما در این حالت مقایسه عملکرد دیگ ها با داده های سایر تاسیسات ناخوشایند خواهد بود.

کار انجام شده توسط موتور:

این فرآیند برای اولین بار توسط مهندس و دانشمند فرانسوی N. L. S. Carnot در سال 1824 در کتاب Reflections on the force motor of fire و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند مورد توجه قرار گرفت.

هدف از تحقیق کارنو کشف دلایل ناقص بودن موتورهای حرارتی آن زمان (با راندمان ≤ 5 درصد) و یافتن راه هایی برای بهبود آنها بود.

چرخه کارنو از همه کارآمدتر است. کارایی آن حداکثر است.

شکل، فرآیندهای ترمودینامیکی چرخه را نشان می دهد. در فرآیند انبساط همدما (1-2) در یک دما تی 1 کار با تغییر انرژی داخلی بخاری یعنی تامین مقدار حرارت به گاز انجام می شود. س:

آ 12 = س 1 ,

خنک شدن گاز قبل از فشرده سازی (3-4) در طول انبساط آدیاباتیک (2-3) رخ می دهد. تغییر در انرژی درونی ΔU 23 در یک فرآیند آدیاباتیک ( Q=0) کاملاً به کار مکانیکی تبدیل می شود:

آ 23 = -ΔU 23 ,

دمای گاز در نتیجه انبساط آدیاباتیک (2-3) تا دمای یخچال کاهش می یابد. تی 2 < تی 1 . در فرآیند (3-4)، گاز به صورت همدما فشرده می شود و مقدار گرما را به یخچال منتقل می کند. Q2:

A 34 = Q 2,

این چرخه با فرآیند فشرده سازی آدیاباتیک (4-1) تکمیل می شود، که در آن گاز تا یک دما گرم می شود. T 1.

حداکثر مقدار راندمان موتورهای حرارتی که با گاز ایده آل کار می کنند، طبق چرخه کارنو:

.

ماهیت فرمول در اثبات شده بیان شده است با. قضیه کارنو که راندمان هر موتور حرارتی نمی تواند از آن فراتر رود بازده چرخهکارنو در همان دمای بخاری و یخچال انجام می شود.

تعریف [ | ]

بهره وری

از نظر ریاضی تعریف کاراییرا می توان به صورت زیر نوشت:

η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))،)

جایی که آ- کار مفید (انرژی)، و س- انرژی هدر رفته

اگر بازده به صورت درصد بیان شود، با فرمول محاسبه می شود:

η = A Q × 100 % (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\ بار 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X))=Q_(\mathrm (X))/A),

جایی که Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X)))- گرمای گرفته شده از انتهای سرد (ظرفیت تبرید در ماشین های تبرید)؛ A (\displaystyle A)

برای پمپ های حرارتی از این اصطلاح استفاده کنید نسبت تبدیل

ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma)=Q_(\Gamma)/A),

جایی که Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma))- گرمای تراکم منتقل شده به خنک کننده؛ A (\displaystyle A)- کار (یا برق) صرف شده در این فرآیند.

که در ماشین کامل Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma)=Q_(\mathrm (X))+A)، بنابراین برای ماشین ایده آل ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X))+1)

واقعیت های مدرن شامل عملیات گسترده موتورهای حرارتی است. تلاش های متعدد برای جایگزینی آنها با موتورهای الکتریکی تاکنون شکست خورده است. مشکلات مربوط به تجمع برق در سیستم های خودمختاربا سختی زیاد حل می شوند.

با در نظر گرفتن استفاده طولانی مدت از آنها، هنوز مشکلات فناوری برای ساخت باتری های برقی مرتبط است. ویژگی های سرعتخودروهای الکتریکی با خودروهای موتورهای احتراق داخلی فاصله زیادی دارند.

گام های اولیه برای ایجاد موتورهای هیبریدی می تواند به میزان قابل توجهی کاهش یابد انتشارات مضردر کلان شهرها، حل مشکلات زیست محیطی.

کمی تاریخ

امکان تبدیل انرژی بخار به انرژی حرکتی در دوران باستان شناخته شده بود. 130 قبل از میلاد: هرون فیلسوف اسکندریه یک اسباب بازی بخار - aeolipil را به حاضران ارائه کرد. یک کره پر از بخار تحت تأثیر جت های خارج شده از آن شروع به چرخش کرد. این نمونه اولیه از مدرن توربین های بخاردر آن زمان برنامه را پیدا نکرد.

برای سال ها و قرن ها، رشد فیلسوف فقط یک اسباب بازی سرگرم کننده در نظر گرفته می شد. در سال 1629، D. Branchi ایتالیایی یک توربین فعال ایجاد کرد. بخار دیسک مجهز به تیغه را به حرکت در می آورد.

از آن لحظه توسعه سریع آغاز شد موتور بخار.

موتور گرمایی

تبدیل سوخت به انرژی برای حرکت قطعات ماشین آلات و مکانیزم ها در موتورهای حرارتی استفاده می شود.

قسمت های اصلی ماشین آلات: بخاری (سیستمی برای دریافت انرژی از خارج)، سیال کار (عمل مفیدی انجام می دهد)، یخچال.

بخاری به گونه ای طراحی شده است که اطمینان حاصل شود که سیال کار منبع کافی از انرژی داخلی را برای انجام کار مفید جمع کرده است. یخچال انرژی اضافی را از بین می برد.

مشخصه اصلی راندمان راندمان موتورهای حرارتی نامیده می شود. این مقدار نشان می دهد که چه بخشی از انرژی صرف شده برای گرمایش صرف انجام کارهای مفید می شود. هر چه راندمان بالاتر باشد، شغل پر سود ترماشین، اما این مقدار نمی تواند از 100٪ تجاوز کند.

محاسبه بازده

اجازه دهید بخاری از خارج انرژی برابر Q 1 دریافت کند. سیال عامل کار A را انجام داد، در حالی که انرژی داده شده به یخچال Q2 بود.

بر اساس تعریف، کارایی را محاسبه می کنیم:

η= A / Q 1 . ما در نظر می گیریم که A \u003d Q 1 - Q 2.

از اینجا، بازده موتور حرارتی، که فرمول آن به شکل η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1 است، به ما امکان می دهد نتایج زیر را بگیریم:

• راندمان نباید از 1 (یا 100%) تجاوز کند.
• برای به حداکثر رساندن این مقدار، یا افزایش انرژی دریافتی از بخاری یا کاهش انرژی داده شده به یخچال ضروری است.
• افزایش انرژی بخاری با تغییر کیفیت سوخت حاصل می شود.
• کاهش انرژی داده شده به یخچال، به شما این امکان را می دهد که به دست آورید ویژگی های طراحیموتورها

موتور حرارتی ایده آل

آیا می توان چنین موتوری ایجاد کرد که راندمان آن حداکثر (در حالت ایده آل برابر با 100٪) باشد؟ سعدی کارنو، فیزیکدان نظری فرانسوی و مهندس با استعداد، تلاش کرد تا پاسخ این سوال را بیابد. در سال 1824، محاسبات نظری او در مورد فرآیندهایی که در گازها اتفاق می افتد، عمومی شد.

ایده اصلی تعبیه شده در یک ماشین ایده آل را می توان انجام فرآیندهای برگشت پذیر با گاز ایده آل. ما با انبساط گاز به صورت همدما در دمای T 1 شروع می کنیم. مقدار گرمای مورد نیاز برای این کار Q 1 است. پس از اینکه گاز بدون تبادل حرارت منبسط شد، پس از رسیدن به دمای T 2، گاز به صورت همدما فشرده می شود و انرژی Q2 را به یخچال منتقل می کند. بازگشت گاز به حالت اولیه آدیاباتیک است.

راندمان یک موتور حرارتی ایده آل کارنو، زمانی که به طور دقیق محاسبه شود، برابر است با نسبت اختلاف دمایی بین دستگاه های گرمایشی و سرمایشی به دمایی که بخاری دارد. به نظر می رسد: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

راندمان احتمالی یک موتور حرارتی که فرمول آن این است: η= 1 - T 2 / T 1 فقط به دمای بخاری و کولر بستگی دارد و نمی تواند بیش از 100٪ باشد.

علاوه بر این، این نسبت به ما امکان می دهد ثابت کنیم که راندمان موتورهای حرارتی تنها زمانی که یخچال به دما می رسد می تواند برابر با واحد باشد. همانطور که می دانید این ارزش دست نیافتنی است.

محاسبات نظری کارنو امکان تعیین حداکثر بازده موتور حرارتی با هر طرحی را فراهم می کند.

اثبات شده است قضیه کارنواینجوری صدا میده یک موتور حرارتی دلخواه تحت هیچ شرایطی قادر به داشتن ضریب بازدهی بیشتر از مقدار مشابه بازده یک موتور حرارتی ایده آل نیست.

نمونه ای از حل مسئله

مثال 1 اگر دمای بخاری 800 درجه سانتیگراد و دمای یخچال 500 درجه سانتیگراد کمتر باشد، بازده یک موتور حرارتی ایده آل چقدر است؟

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K، ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K، η -؟

طبق تعریف: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

دمای یخچال به ما داده نمی شود، اما ∆T = (T 1 - T 2)، از اینجا:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0.46.

پاسخ: راندمان = 46٪.

مثال 2 راندمان یک موتور حرارتی ایده آل را در صورتی که 650 ژول کار مفید به دلیل یک کیلوژول انرژی بخاری به دست آمده انجام شود، تعیین کنید، اگر دمای مایع خنک کننده 400 کلوین باشد، دمای بخاری موتور حرارتی چقدر است؟

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T 1 \u003d?

در این مشکل، ما در مورد یک تاسیسات حرارتی صحبت می کنیم که بازده آن را می توان با فرمول محاسبه کرد:

برای تعیین دمای بخاری از فرمول راندمان یک موتور حرارتی ایده آل استفاده می کنیم:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

پس از انجام تبدیل های ریاضی، به دست می آوریم:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

بیایید محاسبه کنیم:

η= 650 J / 1000 J = 0.65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142.8 K.

پاسخ: η \u003d 65٪، T 1 \u003d 1142.8 K.

شرایط واقعی

موتور حرارتی ایده آل با در نظر گرفتن فرآیندهای ایده آل طراحی شده است. کار فقط در فرآیندهای همدما انجام می شود، مقدار آن به عنوان ناحیه محدود شده توسط نمودار چرخه کارنو تعریف می شود.

در واقع، ایجاد شرایط برای فرآیند تغییر حالت گاز بدون تغییرات دما غیرممکن است. هیچ ماده ای وجود ندارد که تبادل حرارت با اجسام اطراف را حذف کند. فرآیند آدیاباتیک دیگر امکان پذیر نیست. در مورد انتقال حرارت، دمای گاز لزوما باید تغییر کند.

راندمان موتورهای حرارتی ایجاد شده در شرایط واقعی به طور قابل توجهی با راندمان موتورهای ایده آل متفاوت است. توجه داشته باشید که فرآیندهای در موتورهای واقعیبه قدری سریع اتفاق می افتد که تغییر در انرژی حرارتی داخلی ماده کار در فرآیند تغییر حجم آن را نمی توان با هجوم گرما از بخاری جبران کرد و به کولر بازگرداند.

سایر موتورهای حرارتی

موتورهای واقعی در چرخه های مختلف کار می کنند:

• چرخه اتو: فرآیند در حجم ثابت به صورت آدیاباتیک تغییر می کند و یک چرخه بسته ایجاد می کند.
• چرخه دیزل: ایزوبار، آدیابات، ایزوکر، آدیابات;
• فرآیندی که در فشار ثابت اتفاق می افتد با یک آدیاباتیک جایگزین می شود و چرخه را می بندد.

ایجاد فرآیندهای تعادلی در موتورهای واقعی (برای نزدیک کردن آنها به موتورهای ایده آل) تحت شرایط فن آوری پیشرفتهممکن به نظر نمی رسد راندمان موتورهای حرارتی حتی با در نظر گرفتن همین موضوع بسیار کمتر است شرایط دماییمانند یک نصب حرارتی ایده آل.

اما نقش محاسبه شده را کاهش ندهید فرمول های کاراییزیرا نقطه شروع در روند کار بر روی افزایش راندمان موتورهای واقعی می شود.

راه های تغییر کارایی

هنگام مقایسه موتورهای حرارتی ایده آل و واقعی، شایان ذکر است که دمای یخچال دومی نمی تواند هیچ باشد. معمولاً جو را یخچال می دانند. دمای جو را فقط در محاسبات تقریبی می توان اندازه گیری کرد. تجربه نشان می دهد که دمای مایع خنک کننده با دمای گازهای خروجی در موتورها برابر است، همانطور که در موتورهای احتراق داخلی (موتورهای احتراق داخلی به اختصار) چنین است.

ICE رایج ترین موتور حرارتی در جهان ما است. راندمان یک موتور حرارتی در این مورد به دمای ایجاد شده توسط سوخت سوزان بستگی دارد. تفاوت قابل توجه بین موتور احتراق داخلی و موتورهای بخار، ادغام عملکرد بخاری و سیال کار دستگاه در مخلوط هوا و سوخت. در حال سوختن، مخلوط باعث ایجاد فشار بر روی قسمت های متحرک موتور می شود.

افزایش دمای گازهای کار با تغییر قابل توجه خواص سوخت حاصل می شود. متأسفانه انجام این کار به طور نامحدود امکان پذیر نیست. هر ماده ای که محفظه احتراق موتور از آن ساخته شده باشد، نقطه ذوب خاص خود را دارد. مقاومت حرارتی چنین موادی ویژگی اصلی موتور و همچنین توانایی تأثیر قابل توجهی بر راندمان است.

مقادیر راندمان موتور

اگر دمای بخار کاری که در ورودی آن 800 کلوین و گاز خروجی آن 300 کلوین است را در نظر بگیریم، بازده این دستگاه 62 درصد است. در واقع، این مقدار از 40٪ تجاوز نمی کند. چنین کاهشی به دلیل تلفات حرارتی در هنگام گرم کردن پوشش توربین رخ می دهد.

بالاترین مقدار احتراق داخلی از 44٪ تجاوز نمی کند. افزایش این ارزش موضوعی در آینده نزدیک است. تغییر خواص مواد، سوخت مشکلی است که روی آن کار می شود بهترین ذهن هابشریت.