Сучасні реалії передбачають широку експлуатацію теплових двигунів. Численні спроби заміни їх на електродвигуни поки зазнають невдачі. Проблеми, пов'язані з накопиченням електроенергії в автономних системах, вирішуються з великими труднощами.
Досі актуальними є проблеми технології виготовлення акумуляторів електроенергії з урахуванням їх тривалого використання. Швидкісні характеристикиелектромобілі далекі від таких у авто на двигунах внутрішнього згоряння.
Перші кроки щодо створення гібридних двигунівдозволяють суттєво зменшити шкідливі викидиу мегаполісах, вирішуючи екологічні проблеми.
Трохи історії
Можливість перетворення енергії пари на енергію руху була відома ще в давнину. 130 до нашої ери: Філософ Герон Олександрійський представив на суд глядачів парову іграшку - еоліпіл. Сфера, заповнена парою, приходила в обертання під дією струменів, що виходять з неї. Цей прототип сучасних парових турбінна той час не знайшов застосування.
Довгі роки та століття розробки філософа вважалися лише забавною іграшкою. У 1629 р. італієць Д. Бранки створив активну турбіну. Пара рухала диск, з лопатками.
З цього моменту почався бурхливий розвиток парових машин.
Теплова машина
Перетворення палива в енергію руху частин машин та механізмів використовується в теплових машинах.
Основні частини машин: нагрівач (система отримання енергії ззовні), робоче тіло (здійснює корисну дію), холодильник.
Нагрівач призначений для того, щоб робоче тіло накопичило достатній запас внутрішньої енергії для здійснення корисної роботи. Холодильник відводить надлишки енергії.
Основною характеристикою ефективності називають ККД теплових машин. Ця величина показує, яка частина витраченої нагрівання енергії витрачається на здійснення корисної роботи. Чим вищий ККД, тим вигідніша роботамашини, але це величина неспроможна перевищувати 100%.
Розрахунок коефіцієнта корисної дії
Нехай нагрівач придбав ззовні енергію, що дорівнює Q 1 . Робоче тілозробило роботу A, при цьому енергія, віддана холодильнику, становила Q 2 .
Виходячи з визначення, розрахуємо величину ККД:
η = A / Q 1 . Врахуємо, що А = Q1 – Q2.
Звідси ККД тепловиймашини, формула якого має вигляд η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, дозволяє зробити такі висновки:
- ККД не може перевищувати 1 (або 100%);
- для максимального збільшення цієї величини необхідно підвищення енергії, отриманої від нагрівача, або зменшення енергії, відданої холодильнику;
- збільшення енергії нагрівача домагаються зміною якості палива;
- зменшення енергії, відданої холодильнику, дозволяють досягти конструктивні особливостідвигунів.
Ідеальний тепловий двигун
Чи можливе створення такого двигуна, коефіцієнт корисної діїякого було б максимальним (в ідеалі - рівним 100%)? Знайти відповідь на це запитання спробував французький фізик-теоретик та талановитий інженер Саді Карно. У 1824 р. його теоретичні викладки про процеси, що протікають у газах, були оприлюднені.
Основною ідеєю, закладеною в ідеальній машиніможна вважати проведення оборотних процесів з ідеальним газом. Починаємо з розширення газу ізотермічно за температури T 1 . Кількість теплоти, необхідної для цього - Q 1. Після газ без теплообміну розширюється Досягши температури Т 2 газ стискається ізотермічно, передаючи холодильнику енергію Q 2 . Повернення газу до початкового стану здійснюється адіабатно.
ККД ідеального теплового двигунаКарно при точному розрахунку дорівнює відношенню різниці температур нагрівального та охолоджуючого пристроїв до температури, яку має нагрівач. Виглядає так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.
Можливий ККД теплової машини, формула якого має вигляд: η = 1 - Т 2 / T 1 залежить тільки від значення температур нагрівача і охолоджувача і не може бути більше 100%.
Більш того, це співвідношення дозволяє довести, що ККД теплових машин може дорівнювати одиниці тільки при досягненні холодильником температур. Як відомо, це значення недосяжно.
Теоретичні викладки Карно дозволяють визначити максимальний ККД теплової машини будь-якої конструкції.
Доведена Карно теорема звучить так. Довільна теплова машинані за яких умов не здатна мати коефіцієнт корисної дії більше за аналогічне значення ККД ідеальної теплової машини.
Приклад розв'язання задач
приклад 1. Який ККД ідеальної теплової машини, якщо температура нагрівача становить 800 про З, а температура холодильника на 500 про З нижче?
T 1 = 800 про З= 1073 К, ∆T= 500 про З=500 К, -?
За визначенням: η=(T 1 - Т 2)/T 1.
Нам не дано температури холодильника, але ∆T= (T 1 - Т 2), звідси:
η = ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.
Відповідь: ККД = 46%.
приклад 2. Визначте ККД ідеальної теплової машини, якщо за рахунок придбаного одного кілоджоуля енергії нагрівача здійснюється корисна робота 650 Дж. Яка температура нагрівача теплової машини, якщо температура охолоджувача - 400 К?
Q 1 = 1 кДж = 1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η -?, T 1 =?
У цій задачі йдеться про теплову установку, ККД якої можна обчислити за формулою:
Для визначення температури нагрівача скористаємося формулою ККД ідеальної теплової машини:
η = (T 1 - Т 2) / T 1 = 1 - Т 2 / T 1.
Виконавши математичні перетворення, отримаємо:
Т 1 = Т 2 / (1 - η).
Т 1 = Т 2 / (1-A / Q 1).
Обчислимо:
η = 650 Дж / 1000 Дж = 0,65.
Т 1 = 400 К/(1-650 Дж/1000 Дж) = 1142,8 К.
Відповідь: η = 65%, Т 1 = 1142,8 До.
Реальні умови
Ідеальний тепловий двигун розроблено з урахуванням ідеальних процесів. Робота відбувається лише в ізотермічних процесах, її величина визначається як площа, обмежена графіком циклу Карно.
Насправді створити умови для протікання процесу зміни стану газу без змін температури, що його супроводжують, неможливо. Немає таких матеріалів, які б виключили теплообмін з навколишніми предметами. Адіабатний процес здійснити стає неможливо. У разі теплообміну температура газу обов'язково має змінюватись.
ККД теплових машин, створених у реальних умовах, значно відрізняються від ККД ідеальних двигунів. Зауважимо, що перебіг процесів у реальних двигунахвідбувається настільки швидко, що варіювання внутрішньої теплової енергії робочої речовини в процесі зміни його обсягу не може бути компенсовано припливом кількості теплоти від нагрівача і віддачею холодильнику.
Інші теплові двигуни
Реальні двигуни працюють на інших циклах:
- цикл Отто: процес при постійному обсязі змінюється адіабатним, створюючи замкнутий цикл;
- цикл Дизеля: ізобара, адіабату, ізохора, адіабату;
- процес, що відбувається за постійного тиску, змінюється адіабатним, замикає цикл.
Створити рівноважні процеси в реальних двигунах (щоб наблизити їх до ідеальних) в умовах сучасної технологіїне уявляється можливим. ККД теплових машин значно нижчий, навіть з урахуванням тих же температурних режимівщо і в ідеальній тепловій установці.
Але не варто зменшувати роль розрахункової формули ККД, оскільки саме вона стає точкою відліку в процесі роботи над підвищенням ККД реальних двигунів.
Шляхи зміни ККД
Проводячи порівняння ідеальних та реальних теплових двигунів, варто зазначити, що температура холодильника останніх не може бути будь-якою. Зазвичай холодильником вважають атмосферу. Прийняти температуру атмосфери можна лише у наближених розрахунках. Досвід показує, що температура охолоджувача дорівнює температурі відпрацьованих у двигунах газів, як це відбувається в двигунах внутрішнього згоряння (скорочено ДВЗ).
ДВС - найпоширеніша у світі теплова машина. ККД теплової машини в цьому випадку залежить від температури, створеної паливом, що згорає. Істотною відмінністю ДВС від парових машин є злиття функцій нагрівача та робочого тіла пристрою повітряно-паливної суміші. Згоряючи, суміш створює тиск на рухомі частини двигуна.
Підвищення температури робочих газів досягають, суттєво змінюючи властивості палива. На жаль, необмежено це робити неможливо. Будь-який матеріал, з якого виготовлено камеру згоряння двигуна, має свою температуру плавлення. Теплостійкість таких матеріалів – основна характеристика двигуна, а також можливість суттєво вплинути на ККД.
Значення ККД двигунів
Якщо розглянути температура робочої пари на вході якої дорівнює 800 К, а відпрацьованого газу - 300 К, то ККД цієї машини дорівнює 62%. Насправді ж ця величина вбирається у 40%. Таке зниження виникає внаслідок теплових втрат під час нагрівання корпусу турбін.
Найбільше значення внутрішнього згоряння вбирається у 44%. Підвищення цього значення – питання недалекого майбутнього. Зміна властивостей матеріалів, палива – це проблема, над якою працюють найкращі умилюдства.
Насправді робота, здійснювана з допомогою будь-якого - пристрою, завжди більше корисної роботи, оскільки частина роботи виконується проти сил тертя, які усередині механізму і за переміщенні його окремих частин. Так, застосовуючи рухомий блок, здійснюють додаткову роботупіднімаючи сам блок і мотузку і, долаючи сили тертя в блоці.
Введемо такі позначення: корисну роботупозначимо $A_p$, повну роботу- $A_(poln)$. При цьому маємо:
Визначення
Коефіцієнтом корисної дії (ККД)називають ставлення корисної роботи до повної. Позначимо ККД буквою $\eta$, тоді:
\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\ \left(2\right).\]
Найчастіше коефіцієнт корисної дії виражають у відсотках, тоді його визначенням є формула:
\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\ \left(2\right).\]
При створенні механізмів намагаються збільшити їх ККД, але механізмів з коефіцієнтом корисної дії рівним одиниці (а тим більше одиниці) не існує.
Отже, коефіцієнт корисної дії - це фізична величина, яка показує частку, яку корисна робота складає від усієї виконаної роботи. За допомогою ККД оцінюють ефективність пристрою (механізму, системи), що перетворює або передає енергію, що здійснює роботу.
Для збільшення ККД механізмів можна намагатися зменшувати тертя в осях, їх масу. Якщо тертям можна знехтувати, маса механізму істотно менша, ніж маса, наприклад, вантажу, який піднімає механізм, то ККД виходить трохи менше одиниці. Тоді виконана робота приблизно дорівнює корисній роботі:
Золоте правило механіки
Необхідно пам'ятати, що виграшу в роботі, використовуючи простий механізм, домогтися не можна.
Виразимо кожну з робіт у формулі (3) як добуток відповідної сили на шлях, пройдений під впливом цієї сили, тоді формулу (3) перетворимо на вигляд:
Вираз (4) показує, що використовуючи простий механізм ми виграємо в силі стільки ж, скільки програємо в дорозі. Цей законназивають «золотим правилом» механіки. Це правило сформулював у Стародавній Греції Герон Олександрійський.
Це правило не враховує роботу з подолання сил тертя, тому є наближеним.
ККД при передачі енергії
Коефіцієнт корисної дії можна визначити як відношення корисної роботи до витраченої її виконання енергії ($Q$):
\[\eta =\frac(A_p)(Q)\cdot 100\%\ \left(5\right).\]
Для обчислення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна застосовують таку формулу:
\[\eta =\frac(Q_n-Q_(ch))(Q_n)\left(6\right),\]
де $Q_n$ – кількість теплоти, отримана від нагрівача; $Q_(ch)$ - кількість теплоти передана холодильнику.
ККД ідеальної теплової машини, яка працює за циклом Карно:
\[\eta =\frac(T_n-T_(ch))(T_n)\left(7\right),\]
де $ T_n $ – температура нагрівача; $T_(ch)$ - температура холодильника.
Приклади завдань на коефіцієнт корисної дії
Приклад 1
Завдання.Двигун підйомного крана має потужність $N$. За час рівний $\Delta t$ він підняв вантаж масою $m$ на висоту $h$. Який ККД крана?\textit()
Рішення.Корисна робота в задачі, що розглядається, дорівнює роботі з підйому тіла на висоту $h$ вантажу маси $m$, це робота з подолання сили тяжіння. Вона дорівнює:
Повну роботу, яка виконується під час підняття вантажу, знайдемо, використовуючи визначення потужності:
Скористаємося визначенням коефіцієнта корисної дії для його знаходження:
\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\left(1.3\right).\]
Формулу (1.3) перетворимо, використовуючи вирази (1.1) та (1.2):
\[\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%.\]
Відповідь.$\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%$
Приклад 2
Завдання.Ідеальний газ виконує цикл Карно, при цьому ККД циклу дорівнює $eta $. Яка робота в циклі стиснення газу при постійній температурі? Робота газу при розширенні дорівнює $A_0$
Рішення.Коефіцієнт корисної дії циклу визначимо як:
\[\eta =\frac(A_p)(Q)\left(2.1\right).\]
Розглянемо цикл Карно, визначимо, у яких процесах тепло підводять (це буде $Q$).
Так як цикл Карно складається з двох ізотерм та двох адіабат, можна відразу сказати, що в адіабатних процесах (процеси 2-3 та 4-1) теплообміну немає. В ізотермічному процесі 1-2 тепло підводять (рис.1 $ Q_1 $), в ізотермічному процесі 3-4 тепло відводять ($ Q_2 $). Виходить, що у виразі (2.1) $ Q = Q_1 $. Ми знаємо, що кількість теплоти (перший початок термодинаміки), що підводиться системі при ізотермічному процесі, йде повністю на виконання газом роботи, означає:
Газ здійснює корисну роботу, яку дорівнює:
Кількість теплоти, яке відводять в ізотермічному процесі 3-4 дорівнює роботі стиснення (робота негативна) (оскільки T=const, то $Q_2=-A_(34)$). В результаті маємо:
Перетворимо формулу (2.1) з огляду на результати (2.2) - (2.4):
\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\to A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\to A_(34)=( \eta -1)A_(12)\left(2.4\right).\]
Оскільки за умовою $A_(12)=A_0,$ остаточно отримуємо:
Відповідь.$A_(34)=\left(\eta -1\right)A_0$
приклад. Середня сила тяги двигуна становить 882 Н. На 100 км. шляху він споживає 7 кг бензину. Визначте ККД його двигуна. Спочатку знайдіть корисну роботу. Вона дорівнює добутку сили F на відстань S, яка долається тілом під її впливом Ап=F∙S. Визначте кількість теплоти, яка виділиться при спалюванні 7 кг бензину, це буде витрачена робота Аз=Q=q∙m, де q – питоме паливодля бензину вона дорівнює 42∙10^6 Дж/кг, а m – маса цього палива. ККД двигуна дорівнюватиме ККД=(F∙S)/(q∙m)∙100%= (882∙100000)/(42∙10^6∙7)∙100%=30%.
У загальному випадкущоб знайти ККД, будь-якої теплової машини (двигуна внутрішнього згоряння, парового двигуна, і т.д.), де робота виконується газом, має коефіцієнт корисного діїрівний різниці теплоти відданої нагрівачем Q1 і отриманої холодильником Q2, знайдіть різницю теплоти нагрівача і холодильника, і поділіть на теплоту нагрівача ККД = (Q1-Q2)/Q1. Тут ККД у одиницях від 0 до 1, щоб перевести результат , помножте його на 100.
Щоб отримати ККД ідеальної теплової машини (машини Карно), знайдіть відношення різниці температури нагрівача Т1 і холодильника Т2 до температури нагрівача ККД=(Т1-Т2)/Т1. Це гранично можливий ККД для конкретного типу теплової машини із заданими температурами нагрівача та холодильника.
Визначте загальну. Такі відомості можна отримати, звернувшись до даних перепису населення. Для визначення загальних коефіцієнтів народжуваності, смертності, шлюбності та розведення вам знадобиться знайти твір загального населення та розрахункового періоду. Число, що вийшло, запишіть у знаменник.
Поставте на чисельник показник, що відповідає шуканому відносному. Наприклад, якщо перед вами варто визначити загальний коефіцієнт народжуваності, то на місці чисельника має знаходитися число, що відображає загальну кількість народжених за період, що вас цікавить. Якщо вашою метою є рівень смертності чи шлюбності, то на місце чисельника поставте число померлих розрахунковий періодабо кількість одружених, відповідно.
Помножте число, що вийшло на 1000. Це і буде шуканий вами загальний коефіцієнт. Якщо перед вами стоїть завдання знайти загальний коефіцієнт приросту, то відніміть з коефіцієнта народжуваності коефіцієнт смертності.
Відео на тему
Джерела:
- Загальні коефіцієнти природного руху населення
Під словом «робота» розуміється насамперед діяльність, яка дає людині кошти на існування. Іншими словами, за неї він отримує матеріальну винагороду. Тим не менш, люди готові у свій вільний час або безоплатно, або за суто символічну плату брати участь також у суспільно-корисній роботі, спрямованій на допомогу нужденним, благоустрій дворів та вулиць, озеленення тощо. Число таких добровольців, напевно, було б ще більшим, але вони часто не знають, де можуть знадобитися їхні послуги.
Коефіцієнт зволоження є спеціальним показником, розробленим фахівцями в галузі метеорології для оцінки ступеня вологості клімату в тому чи іншому регіоні. При цьому було прийнято до уваги, що клімат є багаторічною характеристикою погодних умову цій місцевості. Тому розглядати коефіцієнт зволоження також було вирішено у тривалих часових рамках: як правило, цей коефіцієнт розраховується на основі даних, зібраних протягом року.
Таким чином, коефіцієнт зволоження показує, наскільки велика кількість опадів, що випадають протягом цього періоду в регіоні. Це, своєю чергою, одна із основних чинників, визначальних переважаючий тип рослинності у цій місцевості.
Розрахунок коефіцієнта зволоження
Формула розрахунку коефіцієнта зволоження виглядає так: K = R / E. У зазначеній формулі символом K позначено власне коефіцієнт зволоження, а символом R - кількість опадів, що випали в цій місцевості протягом року, виражене в міліметрах. Нарешті, символом E позначається кількість опадів, що з поверхні землі, за той самий період.Вказана кількість опадів, яка також виражається в міліметрах, залежить від температури в даному регіоні в конкретний період часу та інших факторів. Тому незважаючи на простоту наведеної формули, розрахунок коефіцієнта зволоження вимагає проведення великої кількостіпопередніх вимірювань за допомогою точних приладів і може бути здійснено лише силами досить великого колективу метеорологів.
У свою чергу, значення коефіцієнта зволоження на конкретній території, що враховує всі ці показники, як правило, дозволяє високим ступенемдостовірності визначити, який тип рослинності переважає у цьому регіоні. Так, якщо коефіцієнт зволоження перевищує 1, це говорить про високому рівнівологості на даній території, що спричиняє переважання таких типів рослинності як тайга, тундра або лісотундра.
Достатній рівень вологості відповідає коефіцієнту зволоження, що дорівнює 1, і, як правило, характеризується переважанням змішаних або . p align="justify"> Коефіцієнт зволоження в межах від 0,6 до 1 характерний для лісостепових масивів, від 0,3 до 0,6 - для степів, від 0,1 до 0,3 - для напівпустельних територій, а від 0 до 0,1 - для пустель .
Джерела:
- Зволоження, коефіцієнти зволоження
Робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:
Вперше цей процес було розглянуто французьким інженером і вченим Н. Л. С. Карно в 1824 р. в книзі «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу».
Метою досліджень Карно було з'ясування причин недосконалості теплових машин на той час (вони мали ККД ≤ 5 %) та пошуки шляхів їх удосконалення.
Цикл Карно - найефективніший із усіх можливих. Його ККД максимальний.
На малюнку зображені термодинамічні процеси циклу. У процесі ізотермічного розширення (1-2) за температури T 1 , робота відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії нагрівача, тобто за рахунок підведення до газу кількості теплоти Q:
A 12 = Q 1 ,
Охолодження газу перед стисненням (3-4) відбувається при адіабатному розширенні (2-3). Зміна внутрішньої енергії ΔU 23 при адіабатному процесі ( Q = 0) повністю перетворюється на механічну роботу:
A 23 = -ΔU 23 ,
Температура газу в результаті адіабатичного розширення (2-3) знижується до температури холодильника T 2 < T 1 . У процесі (3-4) газ ізотермічно стискається, передаючи холодильнику кількість теплоти. Q 2:
A 34 = Q 2,
Цикл завершується процесом адіабатичного стиснення (4-1), при якому газ нагрівається до температури Т 1.
максимальне значення ККДтеплових двигунів, що працюють на ідеальному газі, за циклом Карно:
.
Суть формули виражена у доведеній З. Карно теореміпро те, що ККД будь-якого теплового двигуна не може перевищувати ККД циклу Карно, що здійснюється за тієї ж температури нагрівача і холодильника.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) котельного агрегату визначають як відношення корисної теплоти, що пішла на вироблення пари (або гарячої води), до теплоти (теплоті, що надійшла в котельний агрегат). Насправді не вся корисна теплота, обрана котлоагрегатом, спрямовується споживачам. Частина теплоти витрачається на власні потреби. Залежно від цього розрізняють ККД агрегату теплоти, відпущеної споживачеві (ККД нетто).
Різниця виробленої та відпущеної теплоти є витратою на власні потреби котельні. На власні потреби витрачається не тільки теплота, а й електрична енергія (наприклад, на привід димососа, вентилятора, поживних насосів, механізмів паливоподачі та пилоприготування тощо), тому витрата на власні потреби включає витрати всіх видів енергії, витрачених на виробництво пари або гарячої води.
ККД брутто котельного агрегату характеризує ступінь його технічної досконалості, а ККД нетто – комерційну економічність.
ККД брутто котельного агрегату ŋ бр% можна визначити за рівнянням прямого балансу
ŋ бр = 100 (Q підлога / Q р р)
або за рівнянням зворотного балансу
ŋ бр = 100-(q у.г +q х.н +q м.н +q н.о +q ф.ш),
де Q підлогакорисна теплота, витрачена на вироблення пари (або гарячої води); Q р р- Розташована котельним агрегатом теплота; q у.г +q х.н +q м.н +q н.о +q ф.ш- Відносні втрати теплоти за статтями витрати теплоти.
ККД нетто за рівнянням зворотного балансу визначається як різниця
? нетто = ? бр -q с.н,
де q с.н- відносний витрата енергії за власні потреби, %.
ККД за рівнянням прямого балансу застосовується переважно при складанні звітності за окремий період (декада, місяць), а ККД щодо рівняння зворотного балансу - при випробуванні котельних агрегатів. Визначення ККДпо зворотному балансу значно точніше, оскільки похибки при вимірі втрат теплоти менше, ніж щодо витрати палива, особливо при спалюванні твердого палива.
Таким чином, для підвищення ефективності котельних агрегатів недостатньо прагнути зниження теплових втрат; необхідно також усіляко скорочувати витрати теплової та електричної енергії на власні потреби. Тому порівняння економічності роботи різних котельних агрегатів зрештою слід проводити за їх ККД нетто.
Загалом ККД котельного агрегату змінюється залежно від його навантаження. Для побудови цієї залежності потрібно від 100% відняти послідовно всі втрати котельного агрегату Sq піт = q у.г +q х.н +q м.н +q н.оякі залежать від навантаження.
Як видно з малюнка 1.14, ККД котельного агрегату при певному навантаженні має максимальне значення, тобто робота котла на цьому навантаженні найбільш економічна.
Рисунок 1.14 - Залежність ККД котла від його навантаження: q у.г, q х.н, q м.н, q н.S q піт- втрати теплоти з газами, що йдуть, від хімічної неповноти згоряння, від механічної неповноти згоряння, від зовнішнього охолодження та сумарні втрати
