Potencjalna sprawność silnika Stirlinga jest wyższa niż innych porównywalnych silników, ale włożono znacznie więcej wysiłku w ulepszenie silników o cyklu otwartym. Wyniki porównania różnych silników pod względem ich sprawności nie mają rozpowszechniony, ponieważ, jak wspomniano wcześniej, producenci samochodów i ci, którzy obsługują instalacje stacjonarne, z reguły wolą porównywać silniki według konkretnego efektywnego zużycia paliwa. Chociaż parametr ten jest bezpośrednio związany z wydajnością,
I - sprawność graniczna silnika Stirlinga; 2-ostateczna wytrzymałość materiału; 3 - ograniczenie sprawności silnika przy zapłonie wymuszonym; 4- potencjalnie osiągalna sprawność silnika Stirlinga; 5 - silniki spalinowe; 6 - silnik parowy; 7- Silnik Stirlinga.
Niemniej jednak warto bezpośrednio rozważyć wyniki pomiaru efektywności. Doskonałą ilustracją aktualnych osiągów silników i ich potencjalnych wartości sprawności jest zestawiony w pracy wykres przedstawiony na rys. 1.110 w nieco zmodyfikowanej formie.
Osiągnięte dotychczas wartości sprawności dla eksperymentalnych silników Stirlinga przedstawiono na rys. 1.111.
Sprawność CYKLU Carnota, %
Ryż. 1.111. Rzeczywiste sprawności eksperymentalnych silników Stirlinga według NASA, Rpt CR-I59 63I, przebudowane przez autorów.
1 - dane z General Motors; 2 - dane z United Stirling (Szwecja); 3 - dane firm "Ford" i "Philips".
B. Konkretne efektywne zużycie paliwa
Przed porównaniem konkretnych silników pod kątem konkretnego efektywnego zużycia paliwa pożądane byłoby zebranie i podsumowanie więcej informacji o różnicy w osiągach pomiędzy porównywanymi silnikami, wykorzystując kombinację wyników z zakresu typowe silniki każdy rodzaj. Należy zauważyć że duża liczba wyniki dotyczące silników Stirlinga uzyskuje się na hamowniach, a nie w badaniach pojazdów, a część danych uzyskuje się na podstawie obliczeń komputerowych modeli o dostatecznym stopniu wiarygodności. Wyniki testów samochodów do 1980 roku nie pokrywały się z obliczonymi danymi z wystarczającym stopniem dokładności, ale nakreślały sposoby wykorzystania potencjału silnika. Konkretne efektywne zużycie paliwa o różnej energii elektrownie, przeznaczone do stosowania jako samochodowe źródła energii, porównano na ryc. 1.112.
Ten wykres wyraźnie pokazuje zalety silnika Stirlinga w całym zakresie warunków pracy. Ponieważ jednostkowe efektywne zużycie paliwa jest rozpatrywane zarówno jako funkcja prędkości, jak i jako funkcja obciążenia, na rys. 1.113 i 1.114 przedstawiają odpowiednie krzywe dla pełnego zakresu prędkości roboczych przy odpowiednio 50% i 20% pełnego obciążenia.
Również w tym przypadku zalety silnika Stirlinga są bardzo wyraźne. Dane wejściowe dla tych wykresów podsumowujących
1-diesel z normalny układ wlot; 2 - turbodoładowany olej napędowy; Silnik 3-benzynowy z wymuszonym zapłonem i jednorodnym ładunkiem; 4-jednowałowa turbina gazowa; 5-dwuwałowa turbina gazowa; 6 - Silnik Stirlinga.
X*^ c
■e-b w -0,2
J____ I___ I___ L
Prędkość/maksymalna prędkość
Ryż. 1.113. Porównanie jednostkowego efektywnego zużycia paliwa różnych elektrowni przy 50% obciążeniu.
1-jednowałowa turbina gazowa; 2-wałowa turbina gazowa; 3 - turbodoładowany olej napędowy; Silnik 4-benzynowy z wymuszonym zapłonem i jednorodnym ładunkiem; 5 Silnik Stirlinga.
Zostały zabrane z pracy. Ponieważ ceny paliw wciąż rosną, jednostkowe efektywne zużycie staje się coraz bardziej charakterystyczną cechą, i chociaż trwają aktywne poszukiwania i badania innych źródeł energii, nie ma wątpliwości, że paliwa węglowodorowe pozostaną głównym źródłem energii w dającej się przewidzieć przyszłości . Ponadto,
Nawet przy astronomicznym wzroście cen spadek zużycia paliwa będzie znikomy. Zachodnie doświadczenia pokazują, że od początku kryzysu naftowego w latach 70. ceny ropy miały niewielki wpływ na zużycie paliwa. Badanie opublikowane w 1980 roku przez Departament Energii USA wykazało, że nawet 100% wzrost cen paliw obniżyłby zużycie paliwa tylko o
II%. Jeśli zużycie paliwa nie będzie zbyt silnie uzależnione od czynników ekonomicznych, jest mało prawdopodobne, że będzie ono spadać, ulegając naciskom politycznym. Problematyczny jest również wpływ oficjalnych przepisów mających na celu oszczędność paliwa.
Oczywiście spadek specyfiki efektywna konsumpcja zużycie paliwa może pomóc zmniejszyć zużycie paliwa, ponieważ zmniejszenie zużycia paliwa o 10% pozwoliłoby zaoszczędzić na przykład ponad 305 milionów litrów importowanej ropy naftowej dziennie dla Stanów Zjednoczonych, co odpowiada oszczędności ponad 5 miliardów dolarów rocznie. Ogólnie jednak jest to bardzo mała oszczędność. Dlatego też, chociaż zmniejszenie jednostkowej efektywności paliwowej jest ważne, nie zapewnia rozwiązania problemu energetycznego w większości krajów. Źródła energii zastępujące węglowodory płynne mogą mieć bardziej namacalny efekt w dającej się przewidzieć przyszłości, a problemy z tym związane zostaną omówione później. Ponadto należy zauważyć, że dostępność energii jest równie istotna jak jej koszt.
B. Rozwinięta moc
Właściwego porównania w tym zakresie można dokonać jedynie na podstawie stosunku masy do mocy, a porównywane silniki muszą być zaprojektowane do tego samego zastosowania. Następnie należy porównać stosunek masy całej elektrowni do mocy rozwijanej. Elektrownia, przeznaczona do użytku w samochodzie, będzie obejmować jednostki transmisyjne, akumulatory, układ chłodzenia itp. Dla wybranych do porównania silników dane te przedstawiono na rys. 1,115 i 1,116.
W obu przypadkach, jak widać z wykresów, silnika Stirlinga nie ma wyraźne korzyści Należy jednak wziąć pod uwagę, że w rozwoju silników Stirlinga nie poświęcono dotychczas zbyt wiele uwagi optymalizacji stosunku mocy do masy, co znalazło odzwierciedlenie w prezentowanych wynikach. Nie można liczyć na to, że na taką optymalizację są wielkie możliwości z drugiej strony błędem byłoby stwierdzenie, że osiągnięte wyniki są granicą. W amerykańskim programie rozwoju silnika, którego rozpoczęcie produkcji zaplanowano na rok 1984, czynione są wielkie wysiłki w celu zmniejszenia masy silnika. Należy pamiętać, że jak pokazano w tabeli. 1.7, ze względu na ich nieodłączną charakterystykę działania, silniki Stirlinga (takie jak jednowałowe turbiny gazowe) nie muszą mieć takiej samej mocy znamionowej jak inne silniki, a zatem mogą być lżejsze niż istniejące silniki samochodowe.
Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest wielkość silnika dla danej mocy. Czynnik ten jest ważny nie tylko z punktu widzenia zwartości, ale np. po zainstalowaniu na statku z punktu widzenia utraty objętości użytkowej ładowni. Ustalono, że silnik Stirlinga bierze
Ryż. 1.115. Stosunek między masą silnika a mocą, jaką rozwija dla elektrowni różne rodzaje.
1- olej napędowy z normalnym układem dolotowym;
2- Silnik Stirlinga; 3-diesel turbo - doładowany; 4 - silnik benzynowy z wymuszonym zapłonem i ładowaniem warstwowym; 5 - silnik benzynowy z wymuszonym zapłonem i jednorodnym ładunkiem; 6 - dwuwałowa turbina gazowa; 7- jednowałowa turbina gazowa.
Ryż. 1.116. Stosunek masy instalacji do wytwarzanej przez nią mocy dla elektrowni różnego typu.
1 - olej napędowy z normalnym układem dolotowym; 2 - Silnik Stirlinga; 3 - turbodoładowany olej napędowy; 4 - silnik benzynowy z wymuszonym zapłonem i ładowaniem warstwowym; G "- silnik benzynowy z wymuszonym zapłonem i jednorodnym ładunkiem; 6-wirnikowy silnik z wymuszonym zapłonem; 7-dwuwałowa turbina gazowa; 8 - jedna - ial turbina gazowa.
W przybliżeniu taka sama przestrzeń jak równoważny olej napędowy. Nowsze dane pozwalają na zestawienie tabeli zbiorczej stosunku mocy do zajmowanej objętości różne silniki moc 78-126 kW (tab. 1.8).
|
Tabela 1.8. Współczynnik mocy silnika R do objętości V, Zajęty przez elektrownię |
Z tabeli wynika, że silniki o zapłonie iskrowym z ładunkiem jednorodnym nadal przewyższają wszystkie inne silniki pod tym wskaźnikiem, jednak obiecujące silniki z ładunkiem warstwowym nie będą miały tak niezaprzeczalnej przewagi jak silniki z ładunkiem jednorodnym. Jeśli w silnikach Stirlinga i turbinach gazowych zastosowane zostaną elementy ceramiczne, sytuacja może się diametralnie zmienić. Na nowoczesny poziom postęp techniczny silnik Stirlinga jest ogólnie lepszy silniki Diesla.
Zmiany momentu obrotowego silnika Stirlinga w funkcji prędkości i ciśnienia zostały już uwzględnione w porównaniu z innymi elektrowniami. Przy stosowaniu tego silnika w samochodzie cechy jego charakterystyki momentu obrotowego są szczególnie korzystne z punktu widzenia efektywnego przyspieszania samochodu i przyczyniają się do uproszczenia i obniżenia kosztów jednostek przekładniowych. Jednak dla pełnego obrazu należy powiedzieć kilka słów o cyklicznych wahaniach momentu obrotowego. Literatura podaje, że silnik Stirlinga ma płynniejsze zmiany momentu obrotowego w porównaniu z innymi silnikami tłokowymi. "Płynnie" zdaje się oznaczać, że zmiana momentu obrotowego wraz ze zmianą kąta obrotu wału korbowego tego silnika jest relatywnie niewielka. Celowo użyliśmy słowa „najwyraźniej”, ponieważ
ku, zapytani, co dokładnie oznacza termin „gładki”, nie jesteśmy w stanie podać jednoznacznej definicji. Kwestia ta została szczegółowo omówiona w rozdz. 2. W tym miejscu wystarczy zauważyć, że zmiany momentu obrotowego w zależności od kąta obrotu korby y silnik wielocylindrowy Stirling jest mniejszy niż na przykład silnik z wymuszonym zapłonem (ryc. 1.117).
Mniejsze wahania momentu obrotowego oznaczają również wahania prędkość kątowa silnik Stirlinga jest również znacznie mniejszy niż inne silniki. To stwierdzenie dotyczy oczywiście silników bez kół zamachowych. W praktyce oznacza to, że silniki Stirlinga można wyposażyć w mniej masywne koło zamachowe, a uruchomienie silnika Stirlinga wymaga mniejszego wysiłku mechanicznego. Ponadto, ze względu na niewielkie cykliczne wahania momentu obrotowego i prędkości obrotowej, silniki Stirlinga mogą być bardziej odpowiednie do samodzielnych generatorów elektrycznych.
Twierdzenia te wymagają jednak weryfikacji, ponieważ chociaż szczytowy stosunek momentu obrotowego 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 dwusuwowy diesel i połowę tego z czterocylindrowym czterosuwowym silnikiem wysokoprężnym.
Oszacowanie kosztów jest zawsze trudne, a ich prognoza, biorąc pod uwagę przyszły rozwój, jest bardzo niedokładna. Nie ulega jednak wątpliwości, że taka ocena jest niezbędna do porównania alternatywnych silników z uwzględnieniem najdroższych podzespołów. Koszt silnika Stirlinga jest około 1,5 do 15 razy wyższy niż równoważnego oleju napędowego. Ta ocena jest dokonywana na podstawie literatury technicznej; był prezentowany na konferencjach i spotkaniach technicznych. Na pierwszy rzut oka ocena ta wydaje się nieuzasadniona, ale jak najbardziej prawdopodobna.
To prawda, a to stanie się jasne z tego, co następuje. Bezpodstawne twierdzenia o postrzeganej wartości zwykle nie mają sensu, ale niestety takie twierdzenia pojawiają się w wielu publikacjach. Jednak bardziej szczegółowe badania w tej dziedzinie są obecnie dostępne w ramach programów zleconych przez Departament Energii USA.
Koszt można określić na podstawie różnych czynników, z których głównymi są:
1) koszty pracy;
2) materiały;
3) wyposażenie kapitałowe;
4) urządzenia produkcyjne;
5) eksploatacja i konserwacja;
6) opracowanie projektu.
Ta lista nie jest bynajmniej wyczerpująca. Wiele składników kosztów zależy bezpośrednio od masowej produkcji. Choć jest to oczywiste, nie zaszkodzi powtórzyć to stwierdzenie jeszcze raz, gdyż ten aspekt wyceny jest w wielu publikacjach pomijany. Zależność gospodarki od skali produkcji może oznaczać, że jeden typ silnika jest droższy od innego w małych partiach, ale tańszy w miarę wzrostu produkcji. Konieczne jest uwzględnienie zakresu silnika. Na przykład koszt silnika samochodowego to tylko niewielki ułamek całkowitego kosztu samochodu, więc porównując koszty różne silniki należy wziąć pod uwagę, że znacząca różnica w kosztach silników może nie wpłynąć zauważalnie na koszt samochodu podczas instalowania tych silników. Cechę tę można zilustrować prostym obliczeniem. Jeśli założymy na przykład, że koszt silnika wynosi 10% całkowitego kosztu samochodu, to jeśli samochód kosztuje 6000 USD, silnik będzie kosztował 600. Załóżmy, że inny silnik kosztuje dwa razy więcej, czyli kosztuje 1200 USD; Następnie całkowity koszt samochód będzie kosztował 6600 USD, tylko o 10% więcej, a kupujący może być skłonny zapłacić nieco wyższą cenę za bardziej odpowiedni pojazd.
Zanim przyjrzymy się kosztom i kosztom w warunkach produkcji przemysłowej, chcielibyśmy na podstawie własnych doświadczeń rozważyć ewolucję kosztów przy budowie lub zakupie prototypowego silnika Stirlinga lub silnika tego typu przeznaczonego do celów badawczych. Moc takich silników będzie uważana za ograniczoną do 100 kW. Cena zakupu takiego silnika, biorąc pod uwagę poziom cen z 1981 r., wyniesie około 6700 USD/kW. Jednym z nich jest Io, jeśli silnik jest zbudowany przez tę samą organizację, która będzie go używać, lub wyprodukowany przez stronę trzecią ze szczegółową dokumentacją i projektem maszyny, jego koszt będzie w przedziale 100-3500 USD/kW. Gdy silnik Stirlinga stanie się bardziej powszechny i mniej „badawczy”, jego koszt gwałtownie spadnie. Jeden z producentów małe silniki Stirling (poniżej 1 kW) uważa, że przy produkcji 1000 takich silników rocznie koszt jednego silnika w porównaniu z jego kosztem przy produkcji jednostkowej może spaść 30-krotnie.
Tę zależność kosztów od skali produkcji potwierdzają ostatnie badania szeregu silników napędzanych przez energia słoneczna wykonywane przez Laboratorium silniki odrzutowe(USA) . Dokonano porównania między silnikiem Stirlinga i turbina gazowa w modyfikacjach przeznaczonych do wykorzystania energii słonecznej. Turbina gazowa została specjalnie zaprojektowana przez Garretta, a silnik Stirlinga zaczerpnięto z serii produkowanej przez firmę United Sterling. Tabela 1.9.
Tabela 1.9. Zależność kosztów od wielkości produkcji (porównanie silnika Stirlinga i turbiny gazowej)
Całkowity koszt jednostkowy, USD/kWh
Całkowity koszt jednostkowy obejmuje koszty płacenia siła robocza, koszt materiałów, koszty^ wyposażenia kapitałowego i narzędzi. Wpływ wielkości produkcji na wartość widać wyraźnie z przedstawionych danych. Całkowity koszt jednostkowy turbiny gazowej wraz ze wzrostem mocy spada 3-krotnie, podczas gdy ten sam wskaźnik silnika Stirlinga maleje ponad 6-krotnie. Przy niewielkiej wielkości produkcji silnik Stirlinga jest o ponad 50% droższy od turbiny gazowej, a przy rocznej produkcji 400 000 silników jest o 30% tańszy. Dla naszych celów 400 000 silników rocznie wydaje się nieco wysokie, ale w przypadku silników samochodowych można to uznać za normalne.
Potencjalni producenci silników Stirlinga będą bardziej zainteresowani szacunkowym kosztem tych silników do zastosowania w samochodach. Koszt produkcji podany w tabeli. 1.10, weź pod uwagę
|
Tabela 1.10. Koszt produkcji silniki samochodowe o wielkości produkcji 400 000 szt./rok (w cenach z 1981 r.) |
Uwzględnia koszty pracy, koszty materiałów, wyposażenia kapitałowego i narzędzi, a jego struktura kosztów jest w dużej mierze podobna do tej obliczonej dla silników słonecznych. Jednak w wersja samochodowa silniki mają bardziej zaawansowaną konstrukcję niż w wariancie z silnikiem słonecznym. Silniki Stirlinga i turbiny gazowe wymagają innych specjalnych materiałów niż silniki konwencjonalne. Oczywiście jest to w dużej mierze kwestia podaży i warunków rynkowych, więc gdyby silnik Stirlinga lub turbina gazowa były silnikami „konwencjonalnymi”, to materiały do nich mogłyby mieć niższy koszt, ponieważ przemysł wydobywczy i hutniczy skupiłyby się na produkcję tych materiałów. , a materiały do produkcji silników o zapłonie iskrowym i diesli staną się „specjalne”. Ponadto, materiały specjalne często wymagają odpowiedniego specjalnego sprzętu produkcyjnego, co przyczynia się do dodatkowego wzrostu kosztów. Biorąc pod uwagę materiały i urządzenia produkcyjne stosowane obecnie w przemyśle motoryzacyjnym, należy się spodziewać, że pod względem kosztów konwencjonalne silniki będzie preferowany. Aby wyjaśnić ten aspekt kształtowania się kosztów produkcji, w tabeli. Na rycinie 1.10 przedstawiono koszt silników o dwóch mocach (75 i 112 kW) oraz przedstawiono procentowy udział w kosztach całkowitych materiałów i wyposażenia produkcyjnego.
Konsumentów silników interesują ceny sprzedaży, a nie koszty produkcji, co nie jest zaskakujące. Dlatego w tabeli. 1.11 pokazuje ceny sprzedaży silników samochodowych o rocznej produkcji 400 000 sztuk. Istnieje również różnica w cenie w porównaniu ze zwykłymi silnik benzynowy z wymuszonym zapłonem i jednorodnym ładunkiem (GZB).
|
Moc silnika 75 kW Moc silnika 112 kW Tabela 1.11. Cena sprzedaży silników samochodowych o wielkości produkcji 400 000 sztuk / rok (w cenach z 1981 r.)
|
Pod względem kosztów produkcji i ceny sprzedaży silniki Stirlinga są droższe niż inne silniki, chociaż przy korzystnej wielkości produkcji i zastosowaniu mogą stać się bardziej opłacalne niż ich konkurenci. Jest jednak całkiem jasne, że wraz ze wzrostem mocy silników Stirlinga i wielkości ich produkcji, staną się one coraz bardziej konkurencyjne z ekonomicznego punktu widzenia. Relacje między składnikami kosztów omawianymi w tej sekcji przedstawiono na rys. 1.118.
Rozkład całkowitego kosztu silnika Stirlinga z ukośną podkładką firmy Ford według elementów konstrukcyjnych składających się na elektrownię podano w tabeli. 1.12 dla rocznej produkcji 400 000 szt. .
Wymienniki ciepła mają najwyższy względny koszt, a firma starała się obniżyć ten koszt do około 17% poprzez ulepszony projekt i technologię produkcji, dopóki program ulepszania silnika Stirlinga nie przestał istnieć.
Nawet jeśli do silnika Stirlinga zostaną użyte tańsze materiały i zostanie osiągnięta odpowiednia wielkość produkcji, to nawet w tym przypadku jest mało prawdopodobne, aby silnik Stirlinga był tańszy niż, powiedzmy, silnik z zapłonem iskrowym i jednorodnym ładunkiem. Jednak, jak omówiono powyżej, konsument może być skłonny do zakupu dodatkowe wydatki za korzyści, jakie będą wiązać się z tym silnikiem. Jeśli możliwe jest wykorzystanie potencjału silnika do oszczędzania paliwa i smar i wzrost trwałości zainstalowanego, to obniżenie kosztów eksploatacji silnika Stirlinga może prowadzić do oszczędności w całkowitych kosztach pozyskania i eksploatacji
atak silnika, co powinno wywrzeć większe wrażenie na konsumentach niż względy związane z ochroną środowiska i konwersją energii. Szczególną uwagę na takie oszczędności należy zwrócić w Europie Zachodniej, gdzie "ekonomiczne" samochody z niski przepływ paliwa stają się coraz bardziej popularne, chociaż początkowy koszt takich samochodów jest niewiele mniejszy niż bardziej luksusowy, ale mniej ekonomiczny
Nowe samochody. Co ciekawe, na rynku samochodów używanych samochód „ekonomiczny” jest często odsprzedawany po wyższej cenie niż jego „bracia” więcej wysokiej klasy. Kalkulacja ogólnej opłacalności, jakiej można oczekiwać od silnika Stirlinga, została przeprowadzona przez firmę United Sterling dla przypadku montażu silnika na ciężarówce. Publikowane dane odnoszą się do poziomu cen z 1973 r., ale wynikający z tego katastrofalny wzrost inflacji oraz wykładniczy wzrost cen paliw i smarów utrudniają przełożenie wyników na poziom cen z 1981 r. poziom tutaj jest mało odpowiedni.
Wskaźnik opłacalności ekonomicznej (ER) obliczono według wzoru:
( Różnica w koszcie ____ / Różnica początkowego H
__ Operacja / W ___________________ koszt _______)
W tym przypadku różnice są określane między odpowiednimi wskaźnikami silnika Stirlinga i równoważnego silnika wysokoprężnego.
Z wyników uzyskanych przez United Stirling i poprawionych przez autorów (ryc. 1.119) wynika, że przy przebiegu operacyjnym 16 000 km rocznie CER \u003d 0 po 4,1 latach eksploatacji; innymi słowy, w tym okresie niższe koszty eksploatacji silnika Stirlinga w porównaniu z silnikiem Diesla zrównoważą jego duży koszt początkowy i po 5,7 latach CEP osiągnie wartość 0,5, czyli oszczędność równą połowie zostanie uzyskana różnica w kapitale zakładowym.
Załączniki. Z rocznym przebiegiem 100 000 km - średnia dla Europy z międzynarodowymi transport drogowy- początkowa dodatkowa inwestycja zwróci się po 2-3 miesiącach eksploatacji. Wyniki te uzyskano dla pojedynczego samochodu. Podobna kalkulacja przeprowadzona dla konwoju dałaby jeszcze korzystniejsze wyniki. Nawet to krótka recenzja zagadnienia związane z kosztami silników Stirlinga, pozwalają na wyciągnięcie rozsądnego wniosku, że silnik ten, mimo wysokich kosztów produkcji, jest potencjalnie tańszy w eksploatacji. Przy dalszym wzroście kosztów produktów ropopochodnych i trudnościach w ich pozyskaniu zalety silnika Stirlinga mogą stać się jeszcze bardziej namacalne.
Chociaż silnik Stirlinga może być zasilany różnymi źródłami energii, pewne jest, że nawet na początku przyszłego stulecia paliwa węglowodorowe pozostaną głównym źródłem energii dla transportu lądowego. Nie oznacza to, że paliwa węglowodorowe będą nadal pozyskiwane z istniejących źródeł i że zachowają swój nowoczesny wygląd. Kwestia ta pozostaje do zbadania, ponieważ mogą wystąpić dodatkowe korzyści ekonomiczne wynikające ze zdolności silnika Stirlinga do pracy na różnych rodzajach paliwa. Dlatego po omówieniu wykonalności silnika Stirlinga rozważymy możliwość wykorzystania alternatywnych paliw węglowodorowych.
Chociaż kwestia ta jest rozpatrywana oddzielnie od kosztów, w rzeczywistości koszt produkcji jest bezpośrednio związany z możliwościami produkcyjnymi. Jednak dla większej przejrzystości prezentacji wygodniej jest osobno rozważyć kwestie związane z możliwościami produkcyjnymi. Jak widać z tabeli. 1.10 silnik Stirlinga jest droższy niż inne opcje silników samochodowych; składowe tego kosztu podano w tabeli. 1.12. Głównym powodem tak stosunkowo wysokiego kosztu silnika Stirlinga jest zastosowanie stopów wysokostopowych do produkcji wymienników ciepła. Konstrukcja wymienników ciepła wiąże się z zastosowaniem bardzo drogiej technologii lutowania i drogich materiałów do lutowania, przy czym bardzo istotna jest długość spoin lutowanych. Tolerancje na obrabianych powierzchniach części silnika Stirlinga są zwykle zawężone, co jest konsekwencją zamkniętego cyklu pracy. W przypadku wolnotłokowych silników Stirlinga jakość obróbki jest prawdopodobnie najważniejszym wymogiem prawidłowej pracy silnika.
Montaż głównych elementów mechanicznych silnika Stirlinga musi być wykonany z dużą starannością, zwłaszcza montaż urządzeń uszczelniających. Każda niedokładność w montażu doprowadzi do awarii silnika. Plomby rolkowe są szczególnie podatne na manipulacje montażowe, a montaż tak cienkiej i delikatnej plomby wymaga zachowania najwyższej czystości w miejscu montażu.
|
Tabela 1.13. Czas poświęcony na produkcję silnika (podział według rodzaju pracy)
|
Produkcja silników Stirlinga trwa mniej więcej tyle samo czasu, co inne silniki, ale kwalifikacje personelu muszą być wyższe z powodów wymienionych powyżej. Chociaż czas montażu może być taki sam jak w przypadku innych silników, podział tego czasu na poszczególne operacje będzie inny, co oczywiście może mieć wpływ na całkowity koszt. Rozważania wyrażone w tym krótkim omówieniu potwierdzają dane podane w tabeli. 1.13 i 1.14. Przyjmuje się, że całkowity czas poświęcony na wyprodukowanie jednego silnika wynosi 10 godzin, niezależnie od typu silnika.
Tabele pokazują, że chociaż odlewanie części silnika Stirlinga zajmuje tyle samo czasu, co odlewanie części silnika o zapłonie iskrowym, koszt sprzętu odlewniczego dla pierwszego silnika jest dwa razy wyższy. Na tej podstawie należy spodziewać się wysokich nakładów początkowych wymaganych do budowy fabryk silników Stirlinga, co prawdopodobnie tłumaczy powściągliwość producentów silników przy podejmowaniu decyzji o dużym programie produkcyjnym: czekają na moment, w którym rozwieją się wszelkie wątpliwości, czy silnik ten będzie w stanie urzeczywistnić ich ewentualne zyski. Powody, dla których koszt 1 kW opracowanego przez eksperymentalny, wykonany na zamówienie silnik Stirlinga, jest bardzo wysoki, są również całkiem zrozumiałe.
G. Alternatywne źródła energii
Kryzys energetyczny, który wystąpił, dotyczył tylko jednego źródła energii – ropy naftowej i pochodnych z niej płynnych paliw węglowodorowych. W ciągu ostatniej dekady (1971-1981) skutkiem kryzysu był gwałtowny wzrost cen paliw, a także trudności w utrzymaniu bezpieczeństwa dostaw paliw. Trzeba jednak pamiętać, że nasza planeta nie ma nieograniczonych zasobów ropy naftowej, choć minie jeszcze wiele lat, zanim dostępne zasoby wyczerpią się na tyle, by mieć zauważalny globalny wpływ. Kryzys został zaostrzony przez nierówną dystrybucję ropy między regionami, tak że obecnie jest bardzo niewiele krajów, które zaspokajają własne potrzeby naftowe i bardzo niewiele krajów, które mają taką ilość ropy, że mają duże nadwyżki. Większość krajów jest zmuszona importować część lub nawet całość tego, czego potrzebują paliwo węglowodorowe, co wymaga znacznej ilości waluty obcej. Do 1980 r. 44,6% światowego zużycia energii będzie pokrywane ropą naftową, a liczba ta pokazuje potworną trudność problemu do rozwiązania.
Struktura zużycia energii różni się w zależności od kraju, ale jako przykład wzięliśmy model zużycia w USA, ponieważ USA zużywają więcej energii niż jakikolwiek inny kraj. Strukturę spożycia za rok 1977 przedstawia tabela. 1.15.
Zużycie węglowodorów płynnych w USA jest zbliżone do światowego i stanowi 48,8% całkowitego zużycia energii, co odpowiada 795 mln ton/rok; 54,5% tego paliwa przeznaczane jest na potrzeby transportowe. USA muszą importować 50% potrzebnej im ropy, czyli ok. 375 mln ton rocznie i kosztować wiele miliardów dolarów. Oczywiście takie koszty zachęcają do poszukiwania alternatywy
Paliwa Tivny. Jednak zastąpienie płynnych węglowodorów jako źródeł energii jest trudnym zadaniem i będzie wymagało wielu lat intensywnych badań i rozwoju. W rozwiązaniu problemu może pomóc wykorzystanie energii słonecznej, geotermalnej, wiatrowej, jednak rozwój tych źródeł pokazuje obecnie, że generalnie nie będą one miały większego znaczenia, przynajmniej do początku przyszłego stulecia. Przewiduje się, że elektrownie jądrowe i elektrownie wodne zaspokoją około 15% zużycia energii do 1990 roku. Oznacza to, że około 40% światowego zużycia energii będzie pochodzić z ropy naftowej. Jednak wszystkie te alternatywne źródła będzie miał niewielki lub żaden wpływ na zużycie ropy w transporcie, o ile nie zostanie zwiększony transport kolejowy, a linie kolejowe nie zostaną w pełni zelektryfikowane. Mimo to pozostaje problem zaopatrzenia w paliwo bezszynowego transportu pasażerskiego i towarowego. Oczywiście możliwości są trzy:
1) wykorzystanie zasobów paliw kopalnych innych niż ropa naftowa;
2) stosowanie węglowodorów o niższym stopniu oczyszczenia;
3) stosowanie syntetycznych węglowodorów ciekłych.
Opcja 1 wiąże się z licznymi trudnościami, wśród których nie ma ostatnie miejsce potrzeba dostarczenia energii odpowiadającej 795 milionom ton ropy naftowej, czyli 4-1018 J. Aby zapewnić ten ekwiwalent, potrzebne są nierealnie szybkie tempo rozwoju przemysłu stałych i gazowych paliw kopalnych. W niedalekiej przyszłości możliwe jest zwiększenie produkcji tych paliw w istniejących zakładach i choć to pomoże rozwiązać problem, pojawi się inny problem – jak te paliwa wykorzystać w nowoczesnych silnikach.
W przypadku elektrowni z zewnętrznym doprowadzeniem ciepła, takich jak silniki Stirlinga i silniki parowe, nie stanowiłoby to problemu. Problem można zasadniczo rozwiązać dla mocnej stacjonarnej turbiny gazowej. Inne rozważane silniki nie są tak łatwe do przystosowania do paliw alternatywnych, jak widać z tabeli. 1.16, gdzie znak X wskazuje na możliwość użycia tego paliwa, znak OX wskazuje na problematyczną możliwość takiego użycia, a myślnik oznacza, że paliwa nie można używać.
Tabela 1.16. Przystosowanie silników do różnych rodzajów paliw
Lotnictwo
Rodzaj paliwa GZB SZB gaz Olej napędowy
Na bazie węgla
TOC o „1-3” h z Mieszanina pyłu węglowego i pozostałości - - - - OH
Destylacja oleju Kow
Mieszanina miału węglowego i metanolu - - - OX
Paliwo płynne na bazie węgla
Benzyna XX - -
Mieszanka oleju napędowego i - X - X
Paliwa do silników odrzutowych
Ciężki olej opałowy (olej opałowy) - - X
Paliwa płynne z łupków
Benzyna XX-X
Mieszanka oleju napędowego i - X - X paliwa do silników odrzutowych
Paliwo na bazie ropy naftowej - - X XX odpady
Metanol XX XX
Wodór XX XX
Metan XX XX
Dane tabeli. Rysunek 1.16 pokazuje, że sytuacja nie jest zbyt zachęcająca, aw przypadku Opcji 1 nie ma zbyt wiele czasu na poprawę.
Opcja 2 uzyskała pewne poparcie w popularnej prasie, ale liczba oktanowa i liczba cetanowa takie węglowodory są niewystarczające do niezawodnej pracy istniejących silników. Nawet jeśli te silniki uda się przystosować do pracy na tych paliwach, to oszczędności energii nie będą tak duże, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Szacuje się, że przy stosowaniu mniej rafinowanych węglowodorów oszczędności
energii będzie nie więcej niż 3,8%, a ponieważ stosowanie takich paliw wpłynie niekorzystnie koszt jednostki paliwa i zawartości emisji do atmosfery, ten wariant również nie rozwiązuje problemu.
Zatem, jedyna opcja pozostaje produkcja syntetycznych węglowodorów płynnych, czyli węglowodorów otrzymywanych nie z ropy naftowej, ale np. z węgla, łupków bitumicznych, piasków roponośnych. Wadą tej opcji są wysokie koszty energii w procesie otrzymywania paliw syntetycznych. Na przykład paliwa płynne pochodzące z węgla, zwłaszcza te przeznaczone do silników o zapłonie iskrowym, podczas swojej produkcji tracą do 40% energii zawartej w źródle, z którego są pozyskiwane. Jednak produkcja paliwa z węgla przeznaczonego do silnika Stirlinga nie wymaga wyrafinowana technologia, a na uzyskanie takiego paliwa wydano by znacznie mniej energii. Z powyższego wynika, że aby obliczyć całkowitą sprawność cieplną instalacji pracującej na paliwie syntetycznym, należy również uwzględnić sprawność konwersji pierwotnego rodzaju energii do postaci odpowiedniej do wykorzystania w tej instalacji. Wyniki takich obliczeń przedstawiono w tabeli. 1.17.
Tabela 1.17. Sprawność cieplna charakteryzująca przemianę energii zawartej w źródle paliwa w pracę użyteczną na wylocie z silnika
paliwo syntetyczne
efektywność Silnik ogólny, efektywność,
Olej łupkowy
Turbina gazowa SZB
Silnik Sterlinga
W oparciu o te wyniki wariant 3 wydaje się bardziej atrakcyjny, z wyjątkiem tego, że wszystkie obiecujące silniki, dla których uzyskano zadowalające wyniki — silniki o zapłonie iskrowym z ładunkiem warstwowym, silniki Diesla z turbodoładowaniem, silniki Stirlinga i turbiny gazowe — wymagają znacznych inwestycji kapitałowych produkcji w ilościach zapewniających ich rentowność. Zmodyfikowany wariant 3 uwzględnia możliwość stosowania palnych mieszanek paliw syntetycznych i benzyny otrzymywanej z ropy naftowej. Jedną z takich mieszanek, która została przetestowana w terenie, jest gazohol (10% granulowanego etanolu i 90% benzyny bezołowiowej). Wyniki badań wykazały, że mieszanka ta ma właściwości niemal identyczne jak benzyna, z której jest ona wykonana, i zapewnia niemal takie same osiągi silnika jak benzyna, a nieco niższy potencjał energetyczny na jednostkę objętości mieszanki wynika z jej wyższej liczba oktanowa. Można również stosować mieszanki benzyny z metanolem.
Stosowanie mieszanek jednak tylko nieznacznie zmniejszy problem importu ropy, proporcjonalnie do udziału paliwa syntetycznego w mieszance. Jednocześnie nakłady kapitałowe potrzebne do budowy zakładów produkujących stosunkowo niewielkie ilości takich mieszanek przekraczałyby możliwości małych krajów, a nawet wielu międzynarodowych koncernów. Na przykład według szacunków wyprodukowanie 17,2 mln ton/rok gazoholu do 1990 r. (czyli zaledwie 2% całkowitego zapotrzebowania na węglowodory płynne) wymagałoby co najmniej 10 mld USD. etanol z benzyną w stosunku 5:95, dzięki czemu całkowita ilość zużywanego oleju zmniejszy się o ilość równą 5% z 2%, czyli o 0,1%. Biorąc pod uwagę nowoczesne ceny w przypadku produktów ropopochodnych taka konstrukcja będzie kosztować 20 razy więcej niż zakup odpowiedniej ilości ropy.
Z powyższego wynika, że choć konieczność wymusza poszukiwanie alternatywnych źródeł paliw, to jednak potrzebne będą ogromne inwestycje, aby źródła te mogły mieć jakikolwiek wpływ na kształtowanie się zużycia paliw do końca pierwszego ćwierćwiecza następnego stulecia , zwłaszcza paliw syntetycznych. Ciężki paliwa ropopochodne a węgiel może mieć pewien wpływ na model zużycia paliwa zarówno w małych, jak i dużych elektrowniach stacjonarnych. Dla elektrowni transportowych jedynym wyjściem jest ograniczenie zużycia paliwa i dotyczy to nie tylko samochodów, ale także statków morskich, gdzie 72% elektrowni pokładowych to silniki Diesla. Zmniejszenie wskaźników zużycia paliwa, jak już wspomniano, rozwiązuje problem tylko częściowo: silniki o znacznie niższym zużyciu paliwa będą miały większy wpływ na problem oszczędności energii, zwłaszcza jeśli będą mogły pracować na różnych rodzajach paliwa. Silnik Stirlinga pokazał, że już na obecnym etapie jego rozwoju może zapewnić znaczne oszczędności paliwa. Biorąc jednak pod uwagę obecną intensywność prac badawczo-rozwojowych, oszczędności te mogą być jeszcze większe. Pod koniec programu silników Stirlinga Ford przewidywał 38% redukcję zużycia paliwa przy 73% poziomie ufności i 81% redukcję zużycia paliwa przy 52% poziomie ufności.
Współczynnik pożyteczna akcja(wydajność) - termin, który można zastosować do każdego systemu i urządzenia. Nawet człowiek ma sprawność, chociaż prawdopodobnie nie ma jeszcze obiektywnej formuły jej znalezienia. W tym artykule szczegółowo wyjaśnimy, czym jest wydajność i jak można ją obliczyć dla różnych systemów.
definicja wydajności
Sprawność to wskaźnik charakteryzujący sprawność danego systemu w stosunku do zwrotu lub konwersji energii. Wydajność jest wartością bezmierną i jest przedstawiana albo jako wartość liczbowa w zakresie od 0 do 1, albo jako wartość procentowa.
Ogólna formuła
Wydajność jest oznaczona symbolem Ƞ.
Ogólny wzór matematyczny na znalezienie wydajności jest zapisany w następujący sposób:
Ƞ=A/Q, gdzie A to energia użyteczna/praca wykonana przez system, a Q to energia zużyta przez ten system na zorganizowanie procesu uzyskania użytecznej produkcji.
Współczynnik wydajności jest niestety zawsze mniejszy lub równy, ponieważ zgodnie z prawem zachowania energii nie możemy uzyskać więcej pracy niż wydana energia. Ponadto wydajność w rzeczywistości niezwykle rzadko jest równa jedności, ponieważ pożyteczna praca zawsze towarzyszy obecność strat, na przykład do ogrzewania mechanizmu.
Sprawność silnika cieplnego
Silnik cieplny to urządzenie, które zamienia energię cieplną na energię mechaniczną. W silniku cieplnym pracę określa się na podstawie różnicy między ilością ciepła odebranego z nagrzewnicy a ilością ciepła oddanego do chłodnicy, dlatego sprawność określa wzór:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, gdzie Qн to ilość ciepła odebranego z grzejnika, a Qх to ilość ciepła oddanego do chłodnicy.
Uważa się, że najwyższą sprawność zapewniają silniki pracujące w cyklu Carnota. W ta sprawa Wydajność określa wzór:
- Ƞ=T1-T2/T1, gdzie T1 jest temperaturą gorącego źródła, T2 jest temperaturą zimnego źródła.
Sprawność silnika elektrycznego
Silnik elektryczny to urządzenie przetwarzające energię elektryczną na energię mechaniczną, więc sprawność w tym przypadku jest stosunkiem sprawności urządzenia do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną. Wzór na znalezienie sprawności silnika elektrycznego wygląda następująco:
- Ƞ=P2/P1, gdzie P1 - niepowodzenie energia elektryczna, P2 - przydatne moc mechaniczna generowane przez silnik.
Moc elektryczną oblicza się jako iloczyn prądu i napięcia układu (P=UI), a moc mechaniczną jako stosunek pracy do jednostki czasu (P=A/t)
sprawność transformatora
Transformator to urządzenie, które konwertuje prąd przemienny jednego napięcia na prąd przemienny o innym napięciu, zachowując częstotliwość. Ponadto transformatory mogą również konwertować prąd przemienny na prąd stały.
Sprawność transformatora określa wzór:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), gdzie P0 - utrata modu bezczynny ruch, PL - straty obciążenia, P2 - moc czynna dostarczona do obciążenia, n - względny stopień obciążenia.
Sprawność czy nie efektywność?
Warto zaznaczyć, że oprócz sprawności istnieje szereg wskaźników charakteryzujących sprawność procesów energetycznych, a niekiedy możemy spotkać się z opisami typu – sprawność rzędu 130%, jednak w tym przypadku trzeba zrozumieć, że termin ten nie jest używany całkiem poprawnie i najprawdopodobniej autor lub producent rozumie przez ten skrót nieco inną cechę.
Na przykład pompy ciepła wyróżniają się tym, że mogą oddać więcej ciepła niż zużywają. W ten sposób maszyna chłodnicza może usunąć więcej ciepła z chłodzonego obiektu, niż jest zużywane w ekwiwalencie energetycznym na organizację usuwania. Wskaźnik sprawności urządzenia chłodniczego nazywany jest współczynnikiem wydajności, oznaczanym literą Ɛ i określany jest wzorem: Ɛ=Qx/A, gdzie Qx to ciepło odprowadzane z części zimnej, A to praca wydatkowana na proces usuwania. Jednak czasami współczynnik wydajności nazywany jest również wydajnością maszyny chłodniczej.
Interesujące jest również to, że sprawność kotłów pracujących na paliwo organiczne, jest zwykle obliczany według niższej wartości opałowej, podczas gdy może się okazać, że jest więcej niż jeden. Jednak nadal tradycyjnie określa się ją mianem wydajności. Sprawność kotła można określić na podstawie wartości opałowej brutto i wówczas zawsze będzie ona mniejsza od jedności, ale w tym przypadku niewygodne będzie porównywanie osiągów kotłów z danymi innych instalacji.
Praca wykonana przez silnik to:
Proces ten został po raz pierwszy rozważony przez francuskiego inżyniera i naukowca N. L. S. Carnota w 1824 r. W książce Refleksje na temat siły napędowej ognia i maszyn zdolnych do rozwijania tej siły.
Celem badań Carnota było poznanie przyczyn niedoskonałości ówczesnych silników cieplnych (miały one sprawność ≤ 5%) i znalezienie sposobów ich ulepszenia.
Cykl Carnota jest najbardziej wydajny ze wszystkich. Jego wydajność jest maksymalna.
Rysunek przedstawia procesy termodynamiczne cyklu. W procesie rozszerzania izotermicznego (1-2) w temp T 1 , praca jest wykonywana poprzez zmianę energii wewnętrznej grzejnika, tj. poprzez dostarczenie ilości ciepła do gazu Q:
A 12 = Q 1 ,
Schłodzenie gazu przed sprężeniem (3-4) następuje podczas rozprężania adiabatycznego (2-3). Zmiana energii wewnętrznej ΔU 23 w procesie adiabatycznym ( Q=0) jest całkowicie przekształcony w pracę mechaniczną:
A 23 = -ΔU 23 ,
Temperatura gazu w wyniku rozprężania adiabatycznego (2-3) spada do temperatury lodówki T 2 < T 1 . W procesie (3-4) gaz jest sprężany izotermicznie, przekazując ilość ciepła do lodówki Q2:
ZA 34 = Q 2,
Cykl zamyka proces sprężania adiabatycznego (4-1), w którym gaz jest podgrzewany do określonej temperatury T 1.
Maksymalna wartość sprawności silników cieplnych pracujących na gazie idealnym, zgodnie z cyklem Carnota:
.
Istota formuły wyraża się w sprawdzonym Z. Twierdzenie Carnota, że sprawność dowolnego silnika cieplnego nie może przekroczyć wydajność cyklu Carnota przeprowadzono przy tej samej temperaturze grzejnika i lodówki.
Definicja [ | ]
Efektywność
Matematycznie definicja efektywności można zapisać jako:
η = ZA Q , (\ Displaystyle \ eta = (\ Frac (A) (Q)))Gdzie A- praca użyteczna (energia) i Q- zmarnowana energia.
Jeżeli wydajność jest wyrażona w procentach, to oblicza się ją według wzoru:
η = ZA Q × 100% (\ Displaystyle \ eta = (\ Frac (A) (Q)) \ razy 100 \ %) ε X = Q X / ZA (\ Displaystyle \ varepsilon _ (\ operatorname (X)) = Q_ (\ operatorname (X)) / A),Gdzie Q X (\ displaystyle Q _ (\ operatorname (X) ))- ciepło pobierane z zimnego końca (wydajność chłodnicza w urządzeniach chłodniczych); ZA (\ Displaystyle A)
W przypadku pomp ciepła należy użyć tego terminu współczynnik transformacji
ε Γ = Q Γ / ZA (\ Displaystyle \ varepsilon _ (\ Gamma) = Q_ (\ Gamma) / A),Gdzie Q Γ (\ Displaystyle Q_ (\ Gamma))- ciepło skraplania przekazywane do płynu chłodzącego; ZA (\ Displaystyle A)- praca (lub energia elektryczna) wydana na ten proces.
W doskonały samochód Q Γ = Q X + ZA (\ Displaystyle Q_ (\ Gamma) = Q_ (\ operatorname (X)) + A), stąd idealna maszyna ε Γ = ε X + 1 (\ Displaystyle \ varepsilon _ (\ Gamma) = \ varepsilon _ (\ operatorname (X)) + 1)
Współczesne realia wiążą się z powszechnym działaniem silników cieplnych. Liczne próby zastąpienia ich silnikami elektrycznymi jak dotąd zakończyły się niepowodzeniem. Problemy związane z akumulacją energii elektrycznej w systemy autonomiczne rozwiązuje się z wielkim trudem.
Nadal aktualne pozostają problemy technologii wytwarzania akumulatorów energii elektrycznej, uwzględniające ich długotrwałą eksploatację. Charakterystyka prędkości pojazdy elektryczne są dalekie od samochodów z silnikami spalinowymi.
Pierwsze kroki w kierunku stworzenia silników hybrydowych można znacznie ograniczyć szkodliwe emisje w megamiastach, rozwiązując problemy środowiskowe.
Trochę historii
Możliwość zamiany energii pary wodnej na energię ruchu była znana już w starożytności. 130 pne: Filozof Heron z Aleksandrii podarował publiczności zabawkę parową - aeolipil. Kula wypełniona parą zaczęła się obracać pod działaniem emanujących z niej strumieni. Ten prototyp nowoczesnego turbiny parowe w tym czasie nie znalazł zastosowania.
Przez wiele lat i stuleci rozwój filozofa był uważany za zabawkę. W 1629 r. Włoch D. Branchi stworzył czynną turbinę. Para wprawiła w ruch dysk wyposażony w ostrza.
Od tego momentu rozpoczął się szybki rozwój silniki parowe.
silnik cieplny
Zamiana paliwa na energię do ruchu części maszyn i mechanizmów jest stosowana w silnikach cieplnych.
Główne części maszyn: grzałka (układ pozyskiwania energii z zewnątrz), płyn roboczy (wykonuje użyteczne działanie), lodówka.
Grzałka ma na celu zapewnienie, że płyn roboczy zgromadzi wystarczającą ilość energii wewnętrznej do wykonania użytecznej pracy. Lodówka usuwa nadmiar energii.
Główną cechą sprawności jest sprawność silników cieplnych. Ta wartość pokazuje, jaka część energii zużywanej na ogrzewanie jest wydawana na wykonywanie użytecznej pracy. Im wyższa wydajność, tym bardziej dochodowa praca maszyny, ale wartość ta nie może przekroczyć 100%.
Obliczanie wydajności
Niech grzałka pobierze z zewnątrz energię równą Q 1 . Płyn roboczy wykonał pracę A, natomiast energia dostarczona do lodówki wyniosła Q 2 .
Na podstawie definicji obliczamy wydajność:
η= ZA / Q 1 . Bierzemy pod uwagę, że A \u003d Q 1 - Q 2.
Stąd sprawność silnika cieplnego, którego wzór ma postać η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, pozwala wyciągnąć następujące wnioski:
- Sprawność nie może przekroczyć 1 (lub 100%);
- aby zmaksymalizować tę wartość, konieczne jest albo zwiększenie energii odbieranej z grzejnika, albo zmniejszenie energii dostarczanej do lodówki;
- wzrost energii nagrzewnicy uzyskuje się poprzez zmianę jakości paliwa;
- zmniejszenie energii dostarczanej do lodówki, pozwalają osiągnąć cechy konstrukcyjne silniki.
Idealny silnik cieplny
Czy da się stworzyć taki silnik, którego sprawność byłaby maksymalna (idealnie równa 100%)? Francuski fizyk teoretyczny i utalentowany inżynier Sadi Carnot próbował znaleźć odpowiedź na to pytanie. W 1824 r. upubliczniono jego teoretyczne obliczenia dotyczące procesów zachodzących w gazach.
Za główną ideę zawartą w idealnej maszynie można uznać przeprowadzanie procesów odwracalnych gaz doskonały. Rozpoczynamy od izotermicznego rozprężania gazu w temperaturze T 1 . Wymagana do tego ilość ciepła wynosi Q 1. Po rozprężeniu gazu bez wymiany ciepła Po osiągnięciu temperatury T 2 gaz jest sprężany izotermicznie, przekazując energię Q 2 do lodówki. Powrót gazu do pierwotnego stanu jest adiabatyczny.
Sprawność idealnego silnika cieplnego Carnota, dokładnie obliczona, jest równa stosunkowi różnicy temperatur między urządzeniami grzewczymi i chłodzącymi do temperatury, jaką ma grzejnik. Wygląda to tak: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Możliwa sprawność silnika cieplnego, której wzór to: η= 1 - T 2 / T 1 , zależy tylko od temperatury nagrzewnicy i chłodnicy i nie może przekraczać 100%.
Co więcej, ten stosunek pozwala nam udowodnić, że sprawność silników cieplnych może być równa jedności tylko wtedy, gdy lodówka osiągnie temperaturę. Jak wiadomo, ta wartość jest nieosiągalna.
Teoretyczne obliczenia Carnota pozwalają określić maksymalną wydajność silnika cieplnego dowolnej konstrukcji.
Udowodniony Twierdzenie Carnota brzmi tak. Dowolny silnik cieplny w żadnym wypadku nie może mieć współczynnika sprawności większego niż podobna wartość sprawności idealnego silnika cieplnego.
Przykład rozwiązania problemu
Przykład 1 Jaka jest sprawność idealnego silnika cieplnego, jeśli temperatura grzejnika wynosi 800°C, a temperatura lodówki jest o 500°C niższa?
T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -?
Z definicji: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Nie mamy podanej temperatury lodówki, ale ∆T = (T 1 - T 2), stąd:
η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.
Odpowiedź: wydajność = 46%.
Przykład 2 Wyznacz sprawność idealnego silnika cieplnego, jeśli praca użyteczna uzyskana z jednego kilodżula energii grzejnika wynosi 650 J. Jaka jest temperatura grzejnika silnika cieplnego, jeśli temperatura płynu chłodzącego wynosi 400 K?
Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T 1 \u003d?
W tym zadaniu mówimy o instalacji cieplnej, której sprawność można obliczyć ze wzoru:
Aby określić temperaturę grzejnika, używamy wzoru na sprawność idealnego silnika cieplnego:
η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.
Po wykonaniu przekształceń matematycznych otrzymujemy:
T 1 \u003d T 2 / (1- η).
T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).
obliczmy:
η= 650 J / 1000 J = 0,65.
T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.
Odpowiedź: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K.
Prawdziwe warunki
Idealny silnik cieplny został zaprojektowany z myślą o idealnych procesach. Praca jest wykonywana tylko w procesach izotermicznych, jej wartość określa się jako pole ograniczone wykresem cyklu Carnota.
W rzeczywistości niemożliwe jest stworzenie warunków dla procesu zmiany stanu skupienia gazu bez towarzyszących mu zmian temperatury. Nie ma materiałów, które wykluczałyby wymianę ciepła z otaczającymi obiektami. Proces adiabatyczny nie jest już możliwy. W przypadku wymiany ciepła temperatura gazu musi koniecznie się zmienić.
Sprawność silników cieplnych tworzonych w warunkach rzeczywistych znacznie różni się od sprawności silników idealnych. Zauważ, że procesy w prawdziwe silniki następuje tak szybko, że zmiana wewnętrznej energii cieplnej substancji roboczej w procesie zmiany jej objętości nie może być skompensowana przez dopływ ciepła z grzejnika i powrót do chłodnicy.
Inne silniki cieplne
Prawdziwe silniki pracują w różnych cyklach:
- Cykl Otto: proces przy stałej objętości zmienia się adiabatycznie, tworząc cykl zamknięty;
- Cykl diesla: izobara, adiabata, izochor, adiabata;
- proces zachodzący pod stałym ciśnieniem zostaje zastąpiony procesem adiabatycznym, zamykającym cykl.
Stwórz procesy równowagi w rzeczywistych silnikach (aby zbliżyć je do idealnych) w warunkach nowoczesna technologia nie wydaje się możliwe. Sprawność silników cieplnych jest znacznie niższa, nawet biorąc pod uwagę to samo warunki temperaturowe, jak w idealnej instalacji cieplnej.
Ale nie zmniejszaj roli obliczonej formuły wydajności ponieważ staje się punktem wyjścia w procesie prac nad zwiększeniem sprawności rzeczywistych silników.
Sposoby zmiany efektywności
Porównując idealne i rzeczywiste silniki cieplne, warto zauważyć, że temperatura lodówki tego ostatniego nie może być żadna. Zwykle atmosfera jest uważana za lodówkę. Temperaturę atmosfery można przyjąć tylko w przybliżonych obliczeniach. Doświadczenie pokazuje, że temperatura płynu chłodzącego jest równa temperaturze spalin w silnikach, tak jak ma to miejsce w silnikach spalinowych (w skrócie silniki spalinowe).
ICE jest najpopularniejszym silnikiem cieplnym na świecie. Sprawność silnika cieplnego w tym przypadku zależy od temperatury wytwarzanej przez spalające się paliwo. Istotną różnicą między silnikiem spalinowym a silnikami parowymi jest połączenie funkcji grzałki i płynu roboczego urządzenia w mieszanka paliwowo-powietrzna. Płonąca mieszanka wytwarza nacisk na ruchome części silnika.
Wzrost temperatury gazów roboczych uzyskuje się poprzez znaczną zmianę właściwości paliwa. Niestety nie da się tego robić w nieskończoność. Każdy materiał, z którego wykonana jest komora spalania silnika, ma swoją własną temperaturę topnienia. Odporność cieplna takich materiałów jest główną cechą silnika, podobnie jak zdolność do znacznego wpływania na sprawność.
Wartości sprawności silnika
Jeśli weźmiemy pod uwagę temperaturę pary roboczej na wlocie, która wynosi 800 K, a spalin 300 K, to wydajność tej maszyny wynosi 62%. W rzeczywistości wartość ta nie przekracza 40%. Taki spadek występuje z powodu strat ciepła podczas nagrzewania obudowy turbiny.
Najwyższa wartość spalania wewnętrznego nie przekracza 44%. Zwiększenie tej wartości to kwestia najbliższej przyszłości. Zmiana właściwości materiałów, paliw to problem, nad którym trwają prace najlepsze umysły ludzkość.
