Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое термический кпд теплового двигателя

Что такое термический кпд теплового двигателя

Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. В то время еще использовалась теория теплорода и не была установлена единая природа теплоты и работы, как мера энергетического взаимодействия. Однако С. Карно в своей теории тепловой машины были высказаны основные положения второго закона термодинамики [1, 7].

Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, где используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой — горячий источник и источник с низкой температурой — холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающим по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую. Графическое изображение цикла Карно в P,v- и T,s- диаграммах, использующего в качестве рабочего тела идеальный газ, представлено на рис.9.5.

В цикле Карно горячий источник теплоты с Т1=const передает теплоту (процесс 14) рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту q1 по изотерме 41. На процессе 12 рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от Т1 до Т2. В обратимом процессе 23 рабочее тело передает теплоту q2 холодному источнику по изотерме Т2=const (для горячего источника это процесс 23). На процессе 34 рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от Т2 до Т1.

Для цикла Карно в T,s- диаграмме подведенная q1 и отведенная q2 теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами 41 и 23, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для q1 — с Т1 и Δs, для q2 — с T2 и Δs. Величины q1 и q2 определяются по формулам изотермического процесса:

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты

В соответствии с выражением (9.7) получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при Т2=0, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около 300 К. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота q1 превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота q2, отдается холодному источнику, и при заданных Т1 и Т2 она не может быть использована для получения работы, величина q2 является тепловыми потерями (тепловым отбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше Т1 и меньше Т2. При Т12 КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно. Невозможность существования Т2=0 К, указывает на то, что КПД цикла Карно не может быть равен единице, и на то, что он всегда меньше единицы.

Анализ выражений (9.7) и (9.8) включает в себя выводы, которые относятся к формулировкам второго закона термодинамики:

получение работы в тепловой машине возможно только при наличии двух источников теплоты, имеющих разную температуру;

в тепловой машине невозможно преобразовать всю теплоту горячего источника в работу;

невозможно создание вечного двигателя второго рода, в котором в качестве источника теплоты используется окружающая среда.

Необходимо отметить, что любой цикл, имеет термический КПД ниже КПД цикла Карно, проходящего в интервалах максимальной и минимальной температуры данного цикла. Это утверждение легко доказать, показав сравниваемые циклы в T,s- диаграмме (рис.9.6.). Сравним термический КПД произвольного цикла abcd (ηt) с КПД цикла Карно 1234 (ηt к ), проходящего в интервалах максимальной — T1max и минимальной — T2min температур данного цикла — abcd. Из рис.9.6 видно, что q1 к > q1 на величину площади 1ad и 4dc, а q2 > q2 к на величину площади а2b и 3cb. В результате имеем q2/q1 > q2 к /q1 к , следовательно, получаем соотношение:

Читать еще:  Что такое подогрев двигателя по заданной температуры

Термический КПД цикла Карно зависит только от температуры горячего и холодного источников теплоты (Т1 и Т2). Зная температуры цикла Карно, легко определить его КПД и сопоставить его эффективность с другим циклом Карно.

Любой обратимый цикл можно представить в виде эквивалентного цикла Карно , т.е. цикла с такими же q1 и q2, а соответственно и с такой же работой и термическим КПД, как у исходного цикла. Понятие эквивалентного цикла Карно позволяет сопоставить между собой термические КПД различных по конфигурации обратимых циклов, используя только Т1 и Т2.

Для преобразования произвольного обратимого цикла в эквивалентный цикл Карно вводится понятие среднетермодинамической температуры.

Среднетермодинамической температурой — Тm называется частное от деления теплоты процесса на изменение его энтропии:

В диаграмме Т,s- графически Тm (рис.9.7) представляет собой высоту прямоугольника авсd, равновеликого площади 12сd.

Используя понятие среднетермодинамической температуры, представим в виде эквивалентного цикла Карно произвольный обратимый цикл 1234 (рис.9.8). Для этого процесс подвода теплоты в цикл 12 заменим изотермическим процессом ав со средетермодинамической температурой T1m, а процесс отвода теплоты 34 заменим изотермическим процессом cd со средне термодинамической температурой T2m. Полученный цикл Карно авсd имеет q1 и q2 равные подведенной и отведенной теплоте рассматриваемого цикла 1234, т.е. это эквивалентные циклы, для которых термический КПД определяется по формуле

В дальнейшем понятие эквивалентного цикла Карно будет использоваться для сопоставления тепловой экономичности различных циклов теплоэнергетических установок.

Термический коэффициент полезного действия

В качестве количественной характеристики термодинамической эффективности любого теплового двигателя используется так называемый термический коэффициент полезного действия(термический КПД) , определяемый отношением полезной работы, полученной в двигателе за цикл, к затраченному теплу от верхнего источника за этот же цикл, т.е. по определению

(4.3)

Первое начало термодинамики в применении к циклам тепловых машин (4.2) в формулировке В.Томсона даёт

(4.4)

причём следует иметь в виду, что здесь под понимается теплота, отнятая от верхнего источника тепла и переданная рабочему телу, т.е. по отношению к рабочему телу эта теплота положительна в соответствии с выбором знака теплоты. Величина же есть теплота, отданная рабочим телом нижнему источнику тепла, и по отношению к рабочему телу эта теплота отрицательна, т.е., строго говоря, в применении к рабочему телу (4.4) должно быть записано в виде

(4.5)

Тогда выражение для термического КПД принимает вид

(4.6)

Итак, первый закон термодинамики даёт следующее ограничение для термического КПД тепловых двигателей

(4.7)

в то время как второе начало в формулировке Томсона накладывает более жёсткое ограничение

(4.8)

т.е. термический КПД любого теплового двигателя строго меньше единицы, поскольку теплота, передаваемая нижнему источнику тепла (теплоприёмнику), никогда не равна нулю.

В связи с этим возникает весьма важный с теоретической и практической точек зрения вопрос о нахождении максимально возможного термического КПД тепловой машины, работающей при наличии двух источников тепла (теплоотдатчика и теплоприёмника), и о принципах её конструирования. Эта проблема была решена в 1824 году французским инженером Сади Карно в опубликованной им работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу».

Цикл Карно

В своём знаменитом сочинении Сади Карно обсудил принципы и предложил конструкцию теплового двигателя, который, по его мнению, должен обладать максимальной эффективностью преобразования теплоты в полезную работу. В современном изложении его рассуждения сводятся к следующему: в идеальной тепловой машине все необратимости должны быть сведены к минимуму, т.е. исключены. Это возможно, если все трущиеся поверхности идеально смазаны, скорости движения рабочего тела настолько малы, что можно пренебречь внутренним трением (вязкостью), химические реакции отсутствуют, передача тепла от верхнего источника рабочему телу происходит при температуре рабочего тела мèньшей, но бесконечно близкой к температуре источника тепла, а передача тепла от рабочего тела к теплоприёмнику происходит при температуре рабочего тела бòльшей, но бесконечно близкой к температуре нижнего источника тепла. Очевидно, что изменение температуры рабочего тела, для исключения необратимого теплообмена, должно происходить только адиабатически. Таким образом, приходим к идеальному циклу тепловой машины, работающей между двумя источниками тепла (теплоотдатчиком и теплоприёмником), известному под названием цикла Карнои состоящему из двух изотерм подвода и отвода тепла и двух адиабат. Относительно цикла Карно формулируются два утверждения, называемые теоремами Карно:

Читать еще:  Что означает низкий уровень шума двигателя

I теорема Карно — термический КПД цикла Карно максимален по сравнению с термическим КПД любой другой тепловой машины, работающей в том же интервале температур; это следует из того, что все процессы в машине Карно обратимы, т.е. в ней отсутствует диссипация энергии.

II теорема Карно— термический КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а зависит только от значений температур верхнего и нижнего источников тепла. Мы не будем подробно доказывать эту теорему, укажем лишь, что если бы КПД цикла Карно зависел от свойств рабочего тела, то можно было бы передавать тепло от холодного тела к более нагретому без затраты внешней работы, т.е. нарушался бы второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса.

ТЕРМИЧЕСКИЙ КПД

безразмерная величина, применяемая в технич. термодинамике и теплотехнике для хар-ки степени совершенства преобразования энергии в прямом круговом процессе — цикле теплового двигателя. Т. кпд nt цикла равен отношению работы А, совершаемой за цикл рабочим телом, к теплоте Q2, получ. при этом рабочим телом от нагревателей (теплоотдатчиков): nt = A/Q1. Согласно второму началу термодинамики, Т. кпд любого цикла nt

Большой энциклопедический политехнический словарь . 2004 .

  • ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
  • ТЕРМИЧЕСКИЙ (ТЕПЛОВОЙ) УДАР

Смотреть что такое «ТЕРМИЧЕСКИЙ КПД» в других словарях:

термический КПД — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN cycle efficiencyfuel efficiencythermal efficiency … Справочник технического переводчика

термический кпд — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN efficiency of cycle … Справочник технического переводчика

термический КПД — 3.26 термический КПД (thermal efficiency): Отношение общего количества поглощенного тепла к общему количеству тепла, которое получено при сжигании топлива с учетом теплоемкости воздуха, топлива и распыливающего агента (рассчитывается по… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

термический КПД цикла Рэнкина — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN Rankine cycle thermal efficiency … Справочник технического переводчика

низкий термический КПД — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN thermal inefficiency … Справочник технического переводчика

термический коэффициент полезного действия — тепловой коэффициент полезного действия термический КПД тепловой КПД — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом Синонимы тепловой коэффициент полезного действиятермический КПДтепловой КПД EN … Справочник технического переводчика

ТЕПЛОВОЙ КПД — то же, что Термический КПД … Металлургический словарь

АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА — двигатель и движитель летательного аппарата, единый комплекс устройств и агрегатов, обеспечивающих силу тяги и подъемную силу для полета и ускорения летательного аппарата. Автомобиль движется благодаря трению покоя между колесом и дорогой.… … Энциклопедия Кольера

Читать еще:  Шевроле авео 2010 года как работает двигатель

ПВРД — Воздушно реактивный двигатель (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Впервые … Википедия

ПуВРД — Воздушно реактивный двигатель (ВРД) тепловой реактивный двигатель, в качестве рабочего тела которого используется атмосферный воздух, нагреваемый за счёт химической реакции окисления горючего кислородом, содержащимся в самом рабочем теле. Впервые … Википедия

Термический КПД цикла Карно

Здравствуйте, друзья! Так как термический к.п.д. цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, выведем формулу, определяющую величину к.п.д. для идеального газа, свойства которого достаточно хорошо изучены. Количество подведенной в изотермическом процессе 2—3 теплоты q1 (рис. 1)

Количество теплоты, отводимой при изотермическом сжатии 4—1, соответственно равно

После подстановки этих соотношений в выражение

Для адиабатных процессов 1—2 и 3—4 из соотношения Tυ^(k-1) = const найдем

С учетом последнего соотношения формула (1) для определения термического к.п.д. цикла Карно принимает вид

Это выражение показывает, что термический к.п.д. цикла Карно зависит от температур охладителя Т2 и нагревателя T1; он возрастает с уменьшением отношения T2/T1. Следовательно, лучше чтобы значение T2 было как можно меньше, а значение T1 как можно больше. Величина к.п.д. всегда будет меньше единицы. Достичь к. п. д., равного единице, даже в цикле Карно практически невозможно, так как при этом температура нагревателя T1 должна быть равной бесконечности или температура охлаждения Т2 — абсолютному нулю.

Подведенная к тепловому двигателю теплота не может быть полностью превращена в работу, часть ее должна быть передана охладителю. Без отвода теплоты в тепловом двигателе невозможно осуществить замкнутый рабочий процесс, то есть обеспечить непрерывность работы двигателя. Минимальная температура охладителя Т2 соответствует температуре окружающей среды в естественных условиях и составляет 280—300 К. Максимальная температура нагревателя T1 в циклах тепловых двигателей ограничивается прочностью материалов, из которых изготовлен двигатель. Например, считается, что температура пара на тепловых электростанциях не может быть увеличена выше 950 К.
Соответствующий этой температуре термический к.п.д. цикла Карно составляет

Так как цикл паротурбинной установки отличается от цикла Карно и в различных элементах установки имеются потери на трение и необратимый переход теплоты, то действительный к.п.д. будет еще ниже (примерно на 40%) и составит около 0,68*0,60 = 0,41.

Можно показать, что к. п. д. любого произвольного цикла abcda (рис.2) меньше, чем к. п. д. цикла Карно 1—2—3—4—1, который осуществляется в том же интервале температур. Величина к. п. д. произвольного цикла находится из соотношения:

где q’1 — количество теплоты, которая подводится в процессе abc;
q’2 — количество отводимой теплоты в процессе cda.

К. п. д. цикла Карно 1—2—3—4—1 равен

Из Ts-диаграммы (рис.2) следует, что при переходе от произвольного цикла к циклу Карно 1—2—3—4—1 уменьшается количество отведенной теплоты на величину, эквивалентную площади abc4d1a. Кроме того, количество подведенной теплоты возрастает пропорционально величине площади аЬсЗb2а. Таким образом, при переходе от произвольного цикла к циклу Карно в выражении (2) уменьшится числитель и увеличится знаменатель дроби, что приведет к увеличению к. п. д. цикла. Следовательно, к. п. д, цикла Карно является максимальным для данного интервала температур. Исп. литература: 1) Основы теплоэнергетики, А.М. Литвин, Госэнергоиздат, 1958. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector