Потенційний ККД двигуна Стірлінга вищий, ніж у інших двигунів, що порівнюються з ним, проте на вдосконалення двигунів з розімкненим циклом було витрачено значно більше зусиль. Результати порівняння різних двигунів за їх ККД не мають великого поширення, Оскільки, як уже зазначалося раніше, виробники автомобілів і ті, хто експлуатують стаціонарні установки, як правило, воліють порівнювати двигуни за питомою ефективною витратою палива. Хоча цей параметр прямо пов'язаний з ККД,
I - граничні ККД двигуна Стірлінга; 2-межа міцності Матеріалу; 3 - граничні ККД двигуна з примусовим запалюванням; 4- потенційно досяжні ККД Двигуна Стірлінга; 5 – двигуни внутрішнього згоряння; 6 – парова Машина; 7- двигун Стірлінга.
Проте корисно розглянути результати вимірювання безпосередньо ККД. Прекрасною ілюстрацією досягнутих у час робочих характеристик двигунів і потенційних значень їх ККД є графік, складений у роботі і представлений на рис. 1.110 у дещо зміненому вигляді.
Досягнуті до цього значення ККД експериментальних двигунів Стірлінга показані на рис. 1.111.
ККД ЦИКЛЕ Карно, %
Мал. 1.111. Реальні ККД експериментальних двигунів Стірлінга за даними НАСА, Rpt CR-I59 63I, перебудованим авторами.
1 - дані фірми "Дженерал моторе"; 2 – дані фірми «Юнайтед Стірлінг» (Швеція); 3 - дані фірм «Форд» та «Філіпс».
Б. Питома ефективна витрата палива
Перш ніж порівнювати конкретні двигуни за питомою ефективною витратою палива, бажано було б зібрати та узагальнити більше інформаціїпро відмінність у робочих характеристиках порівнюваних двигунів, використовуючи сукупність результатів по цілому ряду типових двигунівкожного типу. Слід зазначити, що велика кількістьрезультатів, що належать до двигунів Стірлінга, отримано на динамометричних стендах, а не при випробуваннях автомобілів, а деякі дані отримані на основі розрахунку на ЕОМ моделей, що мають достатній рівень достовірності. Результати випробувань автомобілів до 1980 р. не збігалися з достатньою мірою точності з розрахунковими даними, проте намічали шляхи реалізації потенційних можливостей двигуна. Питомі ефективні витрати пального різних енерго силових установок, призначених для використання як автомобільні джерела енергії, порівнюються на рис. 1.112.
На цьому графіку наочно видно переваги двигуна Стірлінга у всьому діапазоні робочих режимів. Оскільки питома ефективна витрата палива розглядається як функція швидкості, і як функція навантаження, то на рис. 1.113 та 1.114 наведені відповідні криві для повного діапазону робочих швидкостей при 50 та 20 % повного навантаження відповідно.
Переваги двигуна Стірлінга дуже наочні і в цьому випадку. Вихідні дані для цих узагальнюючих графіків
1-дизель з нормальною системоювпуску; 2 – дизель з турбонаддувом; 3-бензиновий двигун з примусовим запаленням та гомогенним аарядом; 4-одновальна газова турбіна; 5-двохвальнан газова турбіна; 6 - двигун Стірлінга.
X *^ с
■е-ь -0.2
J____ I___ I___ L
Швидкість/Максимальна швидкість
Мал. 1.113. Порівняння питомих ефективних витрат палива різних енергосилових установок за 50 % навантаження .
1-одновальна газова турбіна; 2-двохвальна газова турбіна; 3 – дизель з турбонаддувом; 4-бензиновий двигун з примусовим запалюванням та гомогенним зарядом; 5-двигун Стірлінга.
Були взяті з роботи. Оскільки ціни на паливо продовжують підвищуватися, питома ефективна витрата стає дедалі визначальнішою характеристикою, і, хоча не припиняються активний пошук та дослідження з інших джерел енергії, немає сумніву, що в найближчому майбутньому вуглеводневі палива залишаться основним її джерелом. Більш того,
Навіть за умов астрономічного зростання цін зниження споживання палива буде незначним. Досвід країн Заходу показує, що з початку нафтової кризи в 70-х роках ціни на нафту мали незначний вплив на споживання палива. Дослідження, опубліковане в 1980 р. міністерством енергетики США, показало, що при підвищенні цін на паливо навіть на 100% споживання палива зменшиться лише на
II%. Якщо на споживання палива не надто сильно впливають економічні чинники, то малоймовірно, що воно знизиться, поступаючись політичним тиском. Вплив офіційних регламентацій, спрямованих на економію палива, також є проблематичним.
Очевидно, що зниження питомої ефективної витратипалива може сприяти зменшенню споживання палива, оскільки зменшення витрати палива на 10 % дозволило б заощадити, наприклад, для США понад 305 млн. л сирої нафти, що імпортується на добу, що відповідає економії понад 5 млрд. дол. на рік. Проте загалом це дуже невелика економія. Тому, хоча зниження питомої ефективної витрати палива є важливим, воно не дає вирішення проблеми енергії для більшості країн. Джерела енергії, що замінять рідкі вуглеводні, можуть дати більш відчутний ефект у найближчому майбутньому, і проблеми, пов'язані з цим питанням, будуть розглянуті пізніше. Крім того, необхідно зазначити, що доступність енергії має таке ж важливе значення, як і її вартість.
В. Розвивається потужність
Обґрунтоване порівняння за цим показником може бути зроблено тільки на основі відношення маси до потужності, що розвивається, і порівнювані двигуни повинні бути призначені для однієї і тієї ж області застосування. Далі необхідно порівнювати значення відношення маси всієї енергосилової установки до потужності, що розвивається. Енергосилова установка, призначена для використання на автомобілі, включатиме агрегати трансмісії, акумуляторні батареї, Система охолодження і т. д. Для двигунів, відібраних для порівняння, ці дані представлені на рис. 1.115 та 1.116.
В обох випадках, як видно з графіків, двигун Стірлінга не має явними перевагамиОднак необхідно враховувати, що при розробці двигунів Стірлінга досі не приділялося великої уваги оптимізації ставлення потужності до маси, що й відбилося на представлених результатах. Не можна розраховувати на те, що для такої оптимізації є великі можливості, з іншого боку, було б неправильно стверджувати, що досягнуті результати - межа. За виконання програми розробки двигунів у США, за якою до 1984 р. було намічено досягти стадії початку виробництва, робляться великі зусилля щодо зниження маси двигуна. При цьому слід враховувати, що як показано в табл. 1.7, в силу властивих їм робочих характеристик двигуни Стірлінга (як і одновальні газові турбіни) не повинні мати ті ж значення потужності, що розвивається, що й інші двигуни, і тому можуть мати меншу масу, ніж існуючі автомобільні двигуни.
Ще один фактор, який необхідно взяти до уваги, це розміри двигуна даної потужності. Цей фактор важливий не лише з точки зору компактності, але, наприклад, при встановленні на судні з точки зору втрати корисного обсягу трюмів. Встановлено, що двигун Стірлінга займає
Мал. 1.115. Співвідношення між масою двигуна і потужністю, що розвивається, для енергосилових установок. різних типів.
1- дизель із нормальною системою впуску;
2- двигун Стірлінга; 3-дизель із турбо - наддувом; 4 - бензиновий двигун з примусовим запалюванням та шаруватим зарядом; 5 - бензиновий двигун з примусовим запалюванням та гомогенним зарядом; 6 – двовальна газова турбіна; 7-одовальна газова турбіна.
Мал. 1.116. Співвідношення між масою установки і потужністю, що розвивається, для енергосилових установок різних типів.
1 - дизель із нормальною системою впуску; 2 - двигун Стірлінга; 3 – дизель з турбо – наддувом; 4-бензиновий двигун з примусовим запалюванням та шаруватим зарядом; Г»-бензиновий двигун з примусовим запалюванням н гомогенным зарядом; 6-роторний двигун із примусовим запалюванням; 7-двохвальна газова турбіна; 8 - одно-іальна газова турбіна.
Приблизно такий самий простір, як і еквівалентний дизель . Більш свіжі дані дозволяють скласти зведену таблицю значень відношення потужності до займаного обсягу різних двигунівпотужністю 78-126 квт (табл. 1.8).
|
Таблиця 1.8.Відношення потужності двигуна Рдо обсягу V,Займаному енергосиловою установкою |
З таблиці слід, що двигуни з примусовим запалюванням і гомогенним зарядом все ще перевершують за цим показником всі інші двигуни, проте перспективні двигуни з шаруватим зарядом не матимуть такої незаперечної переваги, як двигуни з гомогенним зарядом. Якщо в двигунах Стірлінга та газових турбінах знайдуть застосування керамічні компоненти, то ситуація може різко змінитись. При сучасному рівні технічного прогресудвигун Стірлінга в цілому перевершує дизельні двигуни.
Зміни крутного моменту двигуна Стірлінга в залежності від швидкості та тиску вже розглядалися раніше порівняно з іншими енергосиловими установками. При використанні цього двигуна на автомобілі особливості його характеристик крутний момент - швидкість особливо сприятливі з точки зору ефективного прискорення автомобіля та сприяють спрощенню та здешевленню агрегатів трансмісії. Однак для повноти картини необхідно сказати кілька слів про циклічні коливання моменту, що крутить. У літературі повідомляється, що двигун Стірлінга відрізняється більш плавними змінами моменту, що крутить, в порівнянні з іншими двигунами зворотно-поступальної дії. «Плавний» означає, мабуть, що зміни моменту, що крутить, зі зміною кута повороту кривошипа цього двигуна порівняно малі. Ми навмисно вжили слово «мабуть», оскільки
ку, коли запитують, що точно означає термін «плавний», ми не в змозі дати однозначного визначення. Це питання докладно у гол. 2. Тут достатньо буде відзначити, що зміни крутного моменту в залежності від кута повороту кривошипа у багатоциліндрового двигунаСтирлінг менше, ніж, наприклад, у двигуна з примусовим запалюванням (рис. 1.117).
Менші коливання моменту, що крутить, означають також, що коливання кутовий швидкостіу двигуна Стірлінга також значно менше, ніж в інших двигунів. Це твердження стосується, зрозуміло, двигунів без маховиків. Практично це означає, що двигуни Стірлінга можна комплектувати менш масивним маховиком і що пуск двигуна Стірлінга потребує менших механічних зусиль. Далі, завдяки малим циклічним коливанням моменту та швидкості обертання двигуни Стірлінга можуть виявитися більш підходящими для автономних електрогенераторів.
Ці твердження, однак, потребують перевірки, оскільки, хоча ставлення пікового моменту, що крутить< 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 двотактного дизеля, і наполовину менше, ніж у чотирициліндрового чотиритактного дизеля.
Оцінка вартості завжди скрутна, а її прогноз з урахуванням майбутніх розробок дуже неточний. Однак, безсумнівно, така оцінка необхідна для порівняння альтернативних двигунів, якщо при цьому враховувати найдорожчі компоненти. Вартість двигуна Стірлінга приблизно в 1,5-15 разів вища, ніж еквівалентний дизель. Така оцінка зроблена на основі технічної літератури; вона наводилася на технічних конференціях та нарадах. На перший погляд, ця оцінка здається необґрунтованою, але, швидше за все.
Вона вірна, і це зрозуміло з подальшого викладу. Бездоказові твердження про передбачувану вартість, зазвичай, немає сенсу, але, на жаль, такі твердження робляться у багатьох публікаціях. Проте в даний час завдяки програмам, які виконуються на замовлення міністерства енергетики США, стали доступними результати більш докладних досліджень у цій галузі.
Вартість може визначатися різними факторами, з яких основними є:
1) витрати праці;
2) матеріали;
3) капітальне обладнання;
4) виробниче обладнання;
5) експлуатація та технічне обслуговування;
6) розробка конструкції.
Цей список ні в якому разі не є вичерпним. Багато складових вартості безпосередньо залежить від масовості виробництва. Хоча це й очевидно, не заважає вкотре повторити це твердження, оскільки подібним аспектом оцінки вартості нехтують у багатьох публікаціях. Залежність економіки від масштабів випуску продукції може означати, що двигун одного типу дорожчий за інший при дрібносерійному випуску, але дешевше при збільшенні обсягу продукції. Необхідно брати до уваги і сферу застосування двигуна. Наприклад, вартість автомобільного двигуна становить лише невелику частину загальної вартості автомобіля, тому при порівнянні вартості різних двигунівНеобхідно враховувати, що істотна відмінність вартості двигунів може і не вплинути помітно на вартість автомобіля при встановленні цих двигунів. Цю особливість можна проілюструвати простим розрахунком. Якщо прийняти для прикладу, що вартість двигуна становить 10 % загальної вартості автомобіля, то при вартості автомобіля 6000 дол. двигун коштуватиме 600 дол. Припустимо, що інший двигун удвічі дорожчий, тобто коштує 1200 дол.; тоді повна вартістьавтомобіля буде 6600 дол., тобто тільки на 10% вище, і покупець, можливо, воліє сплатити трохи більшу ціну за більш підходящий для нього автомобіль.
Перш ніж розглядати вартість та витрати в умовах промислового виробництва, нам хотілося б на основі власного досвіду розглянути еволюційну вартість при створенні або купівлі дослідного зразка двигуна Стірлінга або двигуна цього типу, призначеного для дослідних цілей. Потужність таких двигунів вважатимемо обмеженою значенням 100 кВт. Ціна такого двигуна при купівлі з урахуванням рівня цін 1981 буде близько 6700 дол./кВт. Одна - I о, якщо двигун побудований тією ж організацією, яка буде його використовувати, або виготовлений сторонньою організацією з детально розробленої документації та за допомогою машинного проектування, його вартість полягатиме в межах; Ю00-3500 дол./кВт. У міру того як двигун Стірлінга ставатиме масовішим і менш «дослідницьким», його вартість різко падатиме. Один із виробників невеликих двигунівСтірлінг (менше 1 кВт) вважає, що при виробництві 1000 таких двигунів на рік вартість одного двигуна в порівнянні з його вартістю при індивідуальному виготовленні може зменшитися в 30 разів.
Така залежність вартості від масштабів виробництва підтверджується недавніми дослідженнями низки двигунів, що працюють на сонячної енергії, виконаними Лабораторією реактивних двигунів(США). Було проведено порівняння двигуна Стірлінга та газової турбіниу модифікаціях, розрахованих використання сонячної енергії. Газова турбіна була спеціально сконструйована фірмою Гарретт, а двигун Стірлінга був узятий з серії, що випускається фірмою Юнайтед Стерлінг. Результати проведених досліджень, наведені до рівня цін та обмінного курсу валюти 1981 р., наведено в табл. 1.9.
Таблиця 1.9.Залежність вартості від обсягу випуску (порівняння двигуна Стірлінга та газової турбіни)
Сумарна питома вартість, дол./кВг
Сумарна питома вартість включає витрати на оплату робочої сили, вартість матеріалів, витрат на капітальне обладнання та інструмент. Вплив, що надається на обсяг виробництва, добре видно з представлених даних. Сумарна питома вартість газової турбіни зі збільшенням обсягу випуску зменшується в 3 рази, тоді як той же показник двигуна Стірлінга зменшується більш ніж у 6 разів. При малому обсязі випуску двигун Стірлінга більш ніж на 50 % дорожчий за газову турбіну, а при річному випуску 400 000 двигунів - на 30 % дешевше. Для цілей обсяг випуску 400 000 двигунів на рік представляється дещо завищеним, проте для автомобільних двигунів такий обсяг можна вважати звичайною нормою .
Потенційні виробники двигунів Стірлінга більшою мірою зацікавляться гаданою вартістю цих двигунів, призначених для використання на автомобілях. Вартість виготовлення, наведена у табл. 1.10, учити-
|
Таблиця 1.10.Вартість виготовлення автомобільних двигунівза обсягом випуску 400 000 шт./рік (у цінах 1981 р.) |
Вина витрати на оплату робочої сили, вартість матеріалів, капітального обладнання та інструменту і багато в чому аналогічна за своєю структурою вартості, підрахованої для сонячних двигунів. Однак у автомобільному варіантідвигуни мають більш розвинену конструкцію, ніж у варіанті сонячного двигуна. Для двигуна Стірлінга та для газової турбіни на відміну від звичайних двигунів потрібні різні спеціальні матеріали. Зрозуміло, це значною мірою питання постачання та кон'юнктури, отже якби двигун Стірлінга чи газова турбіна були б «звичайними» двигунами, то матеріали для них могли б мати меншу вартість, оскільки гірничодобувна промисловість та сталеплавильна промисловість були б орієнтовані на виробництво цих матеріалів , А матеріали для виробництва двигунів з примусовим запалюванням та дизелів стали б «спеціальними». Більш того, спеціальні матеріаличасто вимагають відповідного спеціального виробничого обладнання, що сприяє додатковому зростанню вартості. З урахуванням застосовуваних в даний час в автомобільній промисловості матеріалів та виробничого обладнання слід очікувати, що з точки зору вартості звичайні двигунибудуть кращими. Щоб прояснити цей аспект формування вартості виготовлення, табл. 1.10 наведено вартості двигунів двох значень потужності (75 та 112 кВт) та зазначено також відсоткові частки загальної вартості, що припадають на матеріал та виробниче обладнання.
Споживачі двигунів цікавляться продажними цінами, а не вартістю виготовлення, що й не дивно. Тож у табл. 1.11 представлені продажні ціни автомобільних двигунів за річного випуску на рівні 400 ТОВ шт. Там же вказана різниця в ціні порівняно із звичайним бензиновим двигуномз примусовим запалюванням та гомогенним зарядом (ГЗБ).
|
Потужність двигуна 75 кВт Потужність двигуна 112 кВт Таблиця 1.11.Продажна ціна автомобільних двигунів за обсягом випуску 400 000 шт./рік (у цінах 1981 р.)
|
З точки зору вартості виготовлення та продажної ціни двигуни Стірлінга дорожчі за інші двигуни, хоча при сприятливих для них обсязі випуску та області застосування вони можуть стати економічно вигіднішими, ніж їх конкуренти. Однак цілком ясно, що зі збільшенням потужності двигунів Стірлінга та обсягу їх виробництва вони стануть з економічної точки зору все більш конкурентоспроможними. Взаємозв'язок між складовими вартості, розглянутими у цьому розділі, показано на рис. 1.118.
Розподіл сумарної вартості двигуна Стірлінга з косою шайбою фірми «Форд» за елементами конструкції, що становлять енергосилову установку, наведено в табл. 1.12 для річного обсягу випуску 400 000 прим. .
Найбільшу відносну вартість мають теплообмінники, і фірма шукала можливості знизити її приблизно до 17% за рахунок удосконалення конструкції та технології виготовлення, доки її програма вдосконалення двигунів Стірлінга не припинила своє існування.
Навіть якщо для двигуна Стірлінга будуть застосовуватися менш дорогі матеріали і буде досягнуто відповідного обсягу виробництва, то й у цьому випадку навряд чи двигун Стірлінга буде дешевшим, ніж, скажімо, двигун із примусовим запаленням та гомогенним зарядом. Однак, як уже говорилося вище, споживач, можливо, буде готовий піти на додаткові витратизаради переваг, які будуть пов'язані з цим двигуном. Якщо вдасться реалізувати потенційні можливості двигуна з економії палива та мастилаі збільшення встановленої довговічності, то зниження вартості експлуатації двигуна Стірлінга може спричинити економію сумарних витрат на придбання та експлуатацію.
атацню двигуна, що на споживача має справити більше враження, ніж міркування охорони навколишнього середовища та перетворення енергії. Особливу увагу на таку економію мають звернути у Західній Європі, де «економічні» автомобілі низькою витратоюпалива стають все більш популярними, хоча первісна вартість таких автомобілів ненабагато менша, ніж більш розкішних, але менш економічних.
Вих автомобілів. Цікаво, що на ринку уживаних автомобілів «економічний» автомобіль перепродається часто за вищою ціною, ніж його «побратими» високого класу. Розрахунок загальної рентабельності, якої очікується від двигуна Стірлінга, було виконано фірмою «Юнайтед Стерлінг» для випадку встановлення двигуна на вантажний автомобіль. Опубліковані дані відносяться до рівня цін 1973 р., проте подальше катастрофічне зростання інфляції і зростання в геометричній прогресії цін на паливо та мастильні матеріали ускладнюють переведення отриманих результатів до рівня цін 1981 р., водночас публікація тут розрахунків вартості на рівні 1973 р. навряд чи є доцільною.
Коефіцієнт економічної рентабельності (КЕР) обчислювався за такою формулою:
(Різниця цін ____ / Різниця початкових
__ Експлуатації / V ___________________ цін _______)
При цьому різниці визначаються між відповідними показниками двигуна Стірлінга та еквівалентного дизеля.
З результатів, отриманих фірмою «Юнайтед Стірлінг» та скоригованих авторами (рис. 1.119), випливає, що за експлуатаційного пробігу 16 000 км на рік КЕР = 0 після 4,1 року експлуатації; іншими словами, за цей період менші витрати на експлуатацію двигуна Стірлінга в порівнянні з дизелем врівноважать його велику первісну вартість, а через 5,7 року КЕР досягне значення 0,5, тобто буде отримана економія, що дорівнює половині різниці початкових капітало-
Вкладень. При річному пробігу 100 000 км - середньому для Європи за міжнародних автомобільних перевезеннях- Початкові додаткові капіталовкладення окупляться через 2-3 місяці експлуатації. Ці результати отримано для одиночного автомобіля. Аналогічний розрахунок, проведений для автоколони, дав би ще сприятливіші результати. Навіть такий короткий оглядпитань, пов'язаних із вартістю двигунів Стірлінга, дозволяє зробити обґрунтований висновок, що цей двигун, хоч і має велику вартість виготовлення, зате потенційно менш дорогий в експлуатації. При подальшому підвищенні вартості нафтопродуктів та утрудненнях у їх придбанні переваги двигуна Стірлінга можуть стати ще більш відчутними.
Хоча двигун Стірлінга може працювати на різних джерелах енергії, безсумнівно, що ще і на початку майбутнього століття основним джерелом енергії для наземного транспорту залишаться вуглеводневі палива. Це не означає, що вуглеводневі палива, як і раніше, будуть отримувати з існуючих джерел і що вони збережуть сучасний вигляд. Це питання слід вивчити, оскільки можливі додаткові економічні вигоди за рахунок здатності двигуна Стірлінга працювати на різних видах палива. Тому за обговоренням технологічності двигуна Стірлінга ми розглянемо можливості використання альтернативних вуглеводневих палив.
Хоча це питання розглядається окремо від вартості, насправді вартість виготовлення безпосередньо пов'язана з технологічністю. Однак для більшої чіткості викладу зручніше розглянути питання, пов'язані з технологічністю, окремо. Як очевидно з табл. 1.10, двигун Стірлінга має більшу вартість, ніж інші варіанти автомобільних двигунів; складові цієї вартості наведено у табл. 1.12. Основна причина такої відносної дорожнечі двигуна Стірлінга – використання високолегованих сплавів для виготовлення теплообмінників. Конструкція теплообмінників передбачає застосування дуже дорогої технології паяння та дорогих матеріалів для паяння, при цьому довжина паяних швів дуже значна. Допуски на оброблені поверхні деталей двигуна Стірлінга, як правило, жорсткіші, що є наслідком застосування замкненого робочого циклу. Для вільнопоршневих двигунів Стірлінга якість механічної обробки є, ймовірно, найважливішою вимогою для забезпечення нормальної роботи двигуна.
Складання основних механічних компонентів двигуна Стірлінга має проводитися з великою ретельністю, особливо збирання ущільнюючих пристроїв. Будь-яка неточність збирання поведе до поломки двигуна. Ущільнення типу панчохи, що «скочується» особливо чутливе до недбалостей складання, і при встановленні такого тонкого і крихкого ущільнення потрібна особлива чистота місця складання.
|
Таблиця 1.13.Час, що витрачається на виготовлення двигуна (розподіл за видами робіт)
|
На виготовлення двигуна Стірлінга витрачається приблизно такий самий час, як і на виготовлення інших двигунів, проте кваліфікація персоналу має бути вищою за згаданими вище причинами. Хоча час, що витрачається при складанні, можливо, і такий самий, як при складанні інших двигунів, розподіл цього часу за окремими операціями буде іншим, і, зрозуміло, це може вплинути на загальну вартість. Міркування, висловлені у цьому короткому обговоренні, підтверджуються даними, наведеними у табл. 1.13 та 1.14. Сумарний час, затрачуване виготовлення одного двигуна, прийнято рівним 10 год незалежно від типу двигуна.
З таблиць випливає, що, хоча на лиття деталей двигуна Стірлінга потрібно стільки ж часу, скільки на лиття деталей двигуна з примусовим запаленням, вартість ливарного обладнання першого двигуна вдвічі вище. Виходячи з цього, слід очікувати високих початкових капіталовкладень, необхідних для будівництва заводів двигунів Стірлінга, і це, ймовірно, пояснює стриманість виробників двигунів при вирішенні питання про широку виробничу програму: вони чекають на момент, коли відпадуть усі сумніви в тому, що цей двигун зможе реалізувати свої потенційні переваги. Причини, з яких вартість 1 кВт, що розвивається досвідченим двигуном Стірлінга індивідуального виготовлення, дуже висока, також цілком зрозумілі.
Ж. Альтернативні джерела енергії
Енергетична криза, що відбулася, стосувався тільки одного джерела енергії - сирої нафти і рідких вуглеводневих палив, що одержуються з неї. За останнє десятиліття (1971-1981 рр.) результатом кризи були зростання в геометричній прогресії цін на паливо, а також труднощі збереження гарантованих поставок палива. Однак необхідно пам'ятати, що наша планета не має в своєму розпорядженні необмежених резервів сирої нафти, хоча пройде чимало років, перш ніж наявні резерви вичерпаються настільки, що це матиме помітний глобальний вплив. Криза посилилася нерівномірним розподілом нафти по регіонах, так що в даний час дуже мало країн, які самі забезпечують свої потреби в нафті, і зовсім небагато країн, які мають таку кількість, нафти, що мають великі її надлишки. Більшість країн змушені імпортувати частину чи навіть усе необхідне їм вуглеводневе паливо, потім йде значна сума іноземної валюти. До 1980 р. 44,6 % світового споживання енергії задовольнятиметься з допомогою сирої нафти , і це число показує жахливу складність проблеми, що має вирішити.
Структура споживання енергії різна у різних країнах, проте як приклад ми взяли структуру споживання США, оскільки США споживає більше енергії, ніж будь-яка інша країна. Структура споживання на 1977 р. дано в табл. 1.15.
Споживання рідких вуглеводнів у США аналогічне до загальносвітового і становить 48,8 % загального споживання енергії, що відповідає 795 млн. т/рік; 54,5% цього палива витрачається потреб транспорту. США доводиться імпортувати 50 % необхідної їм кількості нафти, що становить близько 375 млн. т/рік і призводить до витрат багатьох мільярдів доларів. Природно, такі витрати спонукають пошук альтернативи.
Тивне паливо. Однак заміна рідких вуглеводнів як джерела енергії є найважчим завданням і потребує багатьох років інтенсивних досліджень і розробок. Вирішенню завдання може допомогти використання сонячної та геотермальної енергії, енергії вітру, проте розвиток цих джерел нині показує, що загалом вони не матимуть великого значення щонайменше до початку майбутнього сторіччя. Атомні електростанції та гідроелектростанції будуть, як передбачають, до 1990 р. задовольнятиме близько 15 % енергоспоживання. Це означає, що нафти залишиться близько 40 % світового споживання енергії. Однак усі ці альтернативні джерелавплинуть (або взагалі його не вплинуть) на витрату нафти на транспорті, якщо тільки не збільшиться перевезення вантажів по залізницях і не буде здійснено повну електрифікацію залізниць. Навіть у цьому випадку проблема постачання паливом безрейкового пасажирського та вантажного транспорту залишається. Очевидно, є три можливі варіанти:
1) використання інших, ніж нафту, викопних паливних ресурсів;
2) використання вуглеводнів з меншим ступенем очищення;
3) використання синтетичних рідких вуглеводнів.
Варіант 1 пов'язаний з численними труднощами, серед яких останнє місцезаймає забезпечення енергетичного еквівалента 795 млн. т нафти, що становить 4-1018 Дж. Для забезпечення цього еквівалента необхідні нереально швидкі темпи розвитку індустрії твердого та газоподібного викопного палива. У найближчому майбутньому можливе збільшення виробництва цих палив на існуючих підприємствах, і хоча це допоможе вирішенню проблеми, виникне інша проблема - як використовувати ці види палива на сучасних двигунах.
Для енергосилових установок із зовнішнім підведенням тепла, таких, як двигуни Стірлінга та парові машини, це не склало б труднощів. Проблему переважно можна вирішити і для потужної стаціонарної газової турбіни. Інші двигуни не так легко пристосувати до альтернативних палив, що видно з табл. 1.16 де знак X позначає можливість використання даного палива, знак ОХ - проблематичну можливість такого використання, а прочерк означає, що паливо не може бути використане.
Таблиця 1.16.Пристосованість двигунів до різних видів палива
Авіаційна
Вид палива ГЗБ СЗБ газова Дизель
На основі вугілля
TOC o "1-3" h z Суміш вугільного пилу та залишок - - - - ОХ
Ков перегонки нафти
Суміш вугільного пилу та метанолу - - - ОХ
Рідке паливо на основі вугілля
Бензин XX - -
Суміш дизельного палива та - X - X
Палива для реактивної авіації
Тяжке паливо (мазут) - - X
Рідке паливо із сланців
Бензин XX-X
Суміш дизельного палива та - X - X палива для реактивної авіації
Паливо на основі нафтоорганічних речовин.
Метанол XX XX
Водень XX XX
Метан XX XX
Дані таблиці. 1.16 свідчать, що ситуація не надто обнадійлива, і схоже, що часу для покращення ситуації у випадку варіанта 1 не так багато.
Варіант 2 отримав певну підтримку в популярній пресі, проте октанове та цетанове числатаких вуглеводнів недостатні для надійної роботи двигунів. Навіть якщо ці двигуни вдасться пристосувати для роботи на цих паливах, економія енергії буде не така значна, як це здається на перший погляд. Підраховано, що при використанні менш очищених вуглеводнів економія
Енергії складе не більше 3,8%, і оскільки використання таких палив негативно позначиться на питомих витратахпалива та на утриманні викидів в атмосферу, цей варіант також не є вирішенням проблеми.
Таким чином, єдиний варіант, Який залишається, - це виробництво синтетичних рідких вуглеводнів, тобто вуглеводнів, одержуваних не з викопної нафти, а, наприклад, з вугілля, горючих сланців, смолистих пісків. До недоліків цього варіанта слід зарахувати великі витрати енергії на процес отримання синтетичних палив. Наприклад, рідке паливо, що отримується з вугілля, особливо призначене для двигуна з примусовим запалюванням, втрачає в процесі свого виробництва до 40% енергії, що міститься в джерелі, з якого воно одержано. Однак виробництво палива з вугілля, призначене для двигуна Стірлінга, не вимагає складної технології, і отримання такого палива витрачалося б значно менше енергії. Зі сказаного випливає, що для підрахунку загального термічного ККД установки, що працює на синтетичному паливі, необхідно враховувати також ККД перетворення первісного виду енергії в її вид, придатний для використання в даній установці. Результати таких розрахунків представлені у табл. 1.17.
Таблиця 1.17.Термічні ККД, що характеризують перетворення енергії ув'язненої в джерелі палива, в корисну роботу на виході з двигуна
Синтетичне паливо
ККД Загальний двигун, ККД,
Сланцеве мас-
Газова турбіна СЗБ
Двигун Стерлінга
За цими результатами варіант 3 є більш привабливим, за винятком того, що всі перспективні двигуни, для яких отримані задовільні результати, - двигуни з примусовим запалюванням і шаруватим зарядом, дизелі з турбонаддувом, двигуни Стірлінга і газові турбіни, - вимагають значних капіталів обсягах, що забезпечують їхню рентабельність. У модифікованому варіанті 3 розглянута можливість використання горючих сумішей, складених із синтетичного палива та бензину, отриманого з нафти. Одна така суміш випробувалася в умовах експлуатації - це газохол (10% етанолу, отриманого з гранульованої сировини, і 90% неетильованого бензину). Результати випробувань показали, що ця суміш має властивості, майже ідентичні властивостям бензину, що становить її основу, і забезпечує майже ті ж робочі характеристики двигуна, що і бензин, а менший енергетичний потенціал одиниці об'єму суміші перекривається її вищим. октановим числом. Можна також використовувати суміші бензину з метанолом.
Використання сумішей, однак, лише незначною мірою знизить гостроту проблеми імпорту нафти, а саме пропорційно до процентного вмісту синтетичного палива в суміші. У той же час капіталовкладення, необхідні для будівництва заводів з виробництва порівняно невеликої кількості таких сумішей, перевищили можливості малих країн і навіть багатьох багатонаціональних компаній. Наприклад, згідно з оцінками, для виробництва 17,2 млн. т/рік газохолу до 1990 р. (іншими словами, всього 2 % загальної потреби в рідких вуглеводнях) знадобилося б не менше 10 млрд. дол. Цей розрахунок виконаний для суміші етанолу з бензином щодо 5: 95, так що загальна кількість нафти, що споживається, зменшиться на величину, що становить 5 % від 2 %, тобто на 0,1 %. З урахуванням сучасних цінна нафтопродукти таке будівництво обійдеться у 20 разів дорожче, ніж закупівля відповідної кількості нафти.
Зі сказаного випливає, що, хоча необхідність змушує шукати альтернативні джерела палива, будуть потрібні колосальні капіталовкладення, щоб ці джерела змогли надавати хоч якийсь вплив на структуру споживання палива аж до кінця першої чверті наступного століття, особливо синтетичні палива. Важкі нафтові паливаі вугілля зможуть вплинути на структуру споживання палива стаціонарними силовими установками як малої, так і великої потужності. Для транспортних силових установок єдиним виходом із положення залишається зниження витрати палива, причому це стосується не тільки автомобілів, але й морських суден, де 72% бортових силових установок складають дизельні двигуни. Скорочення норм споживання палива, як уже говорилося, лише частково вирішує проблему: двигуни з значно меншою витратою палива вплинуть на вирішення проблеми економії енергії, особливо якщо вони будуть здатні працювати на різних видах палива. Двигун Стірлінг продемонстрував, що вже на сучасному етапі свого розвитку він може забезпечити суттєву економію палива. Проте з урахуванням інтенсивності дослідницьких і конструкторських розробок, що проводяться в даний час, ця економія може бути ще більшою. Фірма «Форд» до моменту завершення своєї програми робіт з двигунів Стірлінга прогнозувала, що з рівнем достовірності 73% очікується зниження витрати палива на 38%, а з рівнем достовірності 52% -на 81%.
Коефіцієнт корисної дії(ККД) - термін, які можна застосувати, мабуть, до кожної системи та пристрою. Навіть у людини є ККД, правда, напевно, поки що не існує об'єктивної формули для її знаходження. У цій статті докладно розповімо, що таке ККД і як його можна розрахувати для різних систем.
ККД-визначення
ККД - це показник, що характеризує ефективність тієї чи іншої системи щодо віддачі чи перетворення енергії. ККД - безмірна величина і є або числовим значенням в діапазоні від 0 до 1, або у відсотках.
Загальна формула
ККД позначається символом Ƞ.
Загальна математична формула знаходження ККД записується так:
?=А/Q, де А - корисна енергія/робота, виконана системою, а Q - енергія, що споживається цією системою для організації процесу отримання корисного виходу.
Коефіцієнт корисної дії, на жаль, завжди менше одиниці або дорівнює їй, оскільки згідно із законом збереження енергії ми не можемо отримати роботи більше, ніж витрачено енергії. Крім того, ККД насправді вкрай рідко дорівнює одиниці, оскільки корисна роботазавжди супроводжується наявністю втрат, наприклад, нагрівання механізму.
ККД теплового двигуна
Тепловий двигун - це пристрій, що перетворює теплову енергію на механічну. У тепловому двигуні робота визначається різницею кількості теплоти, отриманої від нагрівача, та кількості теплоти, відданої охолоджувачу, а тому ККД визначається за формулою:
- ?=Qн-Qх/Qн, де Qн - кількість теплоти, отримана від нагрівача, а Qх - кількість теплоти, віддане охолоджувачу.
Вважається, що високий ККД забезпечують двигуни, що працюють за циклом Карно. У даному випадкуККД визначається за формулою:
- Ƞ=T1-T2/T1, де Т1 – температура гарячого джерела, T2 – температура холодного джерела.
ККД електричного двигуна
Електричний двигун - це пристрій, який перетворює електричну енергію на механічну, так що ККД у даному випадку - це коефіцієнт ефективності пристрою щодо перетворення електричної енергії на механічну. Формула знаходження ККД електричного двигуна виглядає так:
- ?=P2/P1, де P1 - підведена електрична потужність, P2 - корисна механічна потужність, Вироблена двигуном.
Електрична потужність знаходиться як добуток струму та напруги системи (P=UI), а механічна - як відношення роботи до одиниці часу (P=A/t)
ККД трансформатора
Трансформатор - це пристрій, який перетворює змінний струмодного напруження в змінний струм іншого напруження, зберігаючи частоту. Крім того, трансформатори також можуть перетворювати змінний струм на постійний.
Коефіцієнт корисної дії трансформатора знаходиться за формулою:
- ?=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), де P0 - втрати режиму холостого ходу, PL - втрати навантаження, P2 - активна потужність, що віддається навантаженню, n - відносний ступінь навантаження.
ККД чи не ККД?
Варто зауважити, що крім ККД існує ще ряд показників, які характеризують ефективність енергетичних процесів, і іноді ми можемо зустріти описи типу - ККД близько 130%, проте в даному випадку потрібно розуміти, що термін застосований не зовсім коректно, і найімовірніше автор або виробник розуміє під даною абревіатурою дещо іншу характеристику.
Наприклад, теплові насоси відрізняються тим, що можуть віддавати більше теплоти, ніж витрачають. Так, холодильна машина може відвести від об'єкта, що охолоджується, більше теплоти, ніж витрачено в енергетичному еквіваленті на організацію відведення. Показник ефективності холодильної машини називається холодильним коефіцієнтом, позначається літерою і визначається за формулою: Qx/A, де Qx - тепло, що відводиться від холодного кінця, A - робота, витрачена на процес відведення. Однак іноді холодильний коефіцієнт називають і ККД холодильної машини.
Цікаво також, що ККД котлів, що працюють на органічному паливі, Розраховується зазвичай по нижчій теплоті згоряння, при цьому він може вийти більше одиниці. Проте його все одно традиційно називають ККД. Можна визначати ККД котла за вищою теплотою згоряння, і тоді він завжди буде менше одиниці, проте в цьому випадку незручно порівнюватиме показники котлів з даними інших установок.
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 ККД теплових двигунів, що працюють на ідеальному газі, за циклом Карно:
.
Суть формули виражена у доведеній З. Карно теоремі про те, що ККД будь-якого теплового двигуна не може перевищувати ККД циклуКарно, що здійснюється за тієї ж температури нагрівача і холодильника.
Визначення [ | ]
Коефіцієнт корисної дії
Математично визначення ККДможе бути записано у вигляді:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)де А- Корисна робота (енергія), а Q- Витрачена енергія.
Якщо ККД виражається у відсотках, він обчислюється по формуле:
η = A Q × 100 % (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X)) = Q_(\mathrm (X) )/A),де Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- тепло, яке відбирається від холодного кінця (у холодильних машинах холодопродуктивність); A (\displaystyle A)
Для теплових насосів використовують термін коефіцієнт трансформації
ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),де Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- тепло конденсації, що передається теплоносія; A (\displaystyle A)- робота, що витрачається на цей процес (або електроенергія).
У ідеальній машині Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A)звідси для ідеальної машини ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)
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 характеристикиелектромобілів далекі від таких у автомобілів на двигунах внутрішнього згоряння.
Перші кроки щодо створення гібридних двигунів дозволяють 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 тіло зробило роботу A, причому енергія, віддана холодильнику, склала Q 2 .
Виходячи з визначення, розрахуємо величину ККД:
η = A / Q 1 . Врахуємо, що А = Q1 – Q2.
Звідси ККД теплової машини, 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 дії якого був би 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 машині, можна 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 двигуна Карно при точному розрахунку дорівнює відношенню різниці температур нагрівального та охолоджувального 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 теоремазвучить наступним чином. Довільна теплова машина ні 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 ККДоскільки саме вона стає точкою відліку у 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.
