Provoz mnoha typů strojů je charakterizován tak důležitým ukazatelem, jako je účinnost tepelného motoru. Každý rok se inženýři snaží vytvořit pokročilejší zařízení, které by při nižších nákladech na palivo poskytlo maximální výsledky z jeho použití.
Zařízení tepelného motoru
Než pochopíte, co je účinnost, je nutné porozumět tomu, jak tento mechanismus funguje. Bez znalosti principů jeho působení není možné zjistit podstatu tohoto ukazatele. Tepelný stroj je zařízení, které pracuje s využitím vnitřní energie. Jakýkoli tepelný stroj, který přeměňuje tepelnou energii na energii mechanickou, využívá tepelné roztažnosti látek s rostoucí teplotou. U polovodičových motorů je možné měnit nejen objem hmoty, ale i tvar těla. Provoz takového motoru podléhá zákonům termodynamiky.
Princip fungování
Abyste pochopili, jak tepelný motor funguje, je nutné zvážit základyjeho návrhy. Pro provoz zařízení jsou zapotřebí dvě tělesa: horká (ohřívač) a studená (chladnička, chladič). Princip činnosti tepelných strojů (účinnost tepelných strojů) závisí na jejich typu. Kondenzátor páry často funguje jako chladnička a jakýkoli druh paliva, které hoří v peci, funguje jako ohřívač. Účinnost ideálního tepelného motoru se zjistí podle následujícího vzorce:
Účinnost=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100 %.
Účinnost skutečného motoru přitom nikdy nemůže překročit hodnotu získanou podle tohoto vzorce. Také tento ukazatel nikdy nepřekročí výše uvedenou hodnotu. Pro zvýšení účinnosti nejčastěji zvyšujte teplotu ohřívače a snižujte teplotu chladničky. Oba tyto procesy budou omezeny skutečnými provozními podmínkami zařízení.
Účinnost tepelného motoru (vzorec)
Během provozu tepelného motoru se pracuje, protože plyn začíná ztrácet energii a ochlazuje se na určitou teplotu. Ten je obvykle několik stupňů nad okolní atmosférou. Toto je teplota chladničky. Takové speciální zařízení je určeno pro chlazení s následnou kondenzací odpadní páry. Tam, kde jsou přítomny kondenzátory, je teplota chladničky někdy nižší než okolní teplota.
V tepelném motoru není tělo, když je zahříváno a rozpínáno, schopno vydat veškerou svou vnitřní energii k práci. Část tepla bude předána do chladničky spolu s výfukovými plyny nebo párou. Tato částtepelná vnitřní energie se nevyhnutelně ztrácí. Během spalování paliva přijímá pracovní tělo určité množství tepla Q1 z ohřívače. Zároveň stále vykonává práci A, při které předává část tepelné energie chladničce: Q2<Q1.
EFFICIENCY charakterizuje účinnost motoru v oblasti přeměny energie a převodovky. Tento ukazatel se často měří v procentech. Vzorec účinnosti:
ηA/Qx100 %, kde Q je vynaložená energie, A je užitečná práce.
Na základě zákona zachování energie můžeme dojít k závěru, že účinnost bude vždy menší než jedna. Jinými slovy, nikdy nebude užitečnější práce, než je energie na ni vynaložená.
Účinnost motoru je poměr užitečné práce k energii dodávané ohřívačem. Může být reprezentován následujícím vzorcem:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kde Q 1 - teplo přijaté z ohřívače a Q2 - odevzdáno do chladničky.
Provoz tepelného motoru
Práce vykonaná tepelným motorem se vypočítá podle následujícího vzorce:
A=|QH| - |QX|, kde A je práce, QH je množství tepla přijatého z ohřívače, QX – množství tepla odevzdávaného chladiči.
Účinnost tepelného motoru (vzorec):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Je roven poměru práce vykonané motorem k množstvíteplo. Při tomto přenosu se ztrácí část tepelné energie.
Carnot engine
Maximální účinnost tepelného motoru je zaznamenána na Carnotově zařízení. To je způsobeno skutečností, že v tomto systému závisí pouze na absolutní teplotě ohřívače (Тн) a chladiče (Тх). Účinnost tepelného motoru pracujícího podle Carnotova cyklu je určena následujícím vzorcem:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Zákony termodynamiky nám umožnily vypočítat maximální možnou účinnost. Poprvé tento ukazatel vypočítal francouzský vědec a inženýr Sadi Carnot. Vynalezl tepelný motor, který běžel na ideální plyn. Funguje na cyklu 2 izoterm a 2 adiabatů. Princip jeho činnosti je poměrně jednoduchý: do nádoby s plynem je přiveden kontakt ohřívače, v důsledku čehož pracovní tekutina izotermicky expanduje. Zároveň funguje a přijímá určité množství tepla. Poté, co je nádoba tepelně izolována. Navzdory tomu plyn dále expanduje, ale již adiabaticky (bez výměny tepla s okolím). V této době jeho teplota klesne na lednici. V tuto chvíli je plyn v kontaktu s lednicí, v důsledku čehož jí při izometrické kompresi dodává určité množství tepla. Poté je nádoba opět tepelně izolována. V tomto případě je plyn stlačen adiabaticky na svůj původní objem a stav.
Odrůdy
V naší době existuje mnoho typů tepelných motorů, které fungují na různých principech a na různá paliva. Všechny mají svou vlastní účinnost. Tyto zahrnujínásledující:
• Spalovací motor (píst), což je mechanismus, kde se část chemické energie hořícího paliva přeměňuje na mechanickou energii. Taková zařízení mohou být plynná a kapalná. Existují 2-taktní a 4-taktní motory. Mohou mít nepřetržitý pracovní cyklus. Podle způsobu přípravy směsi paliva jsou takové motory karburátorové (s vnější tvorbou směsi) a dieselové (s vnitřní). Podle typů měničů energie se dělí na pístové, proudové, turbínové, kombinované. Účinnost takových strojů nepřesahuje 0,5.
• Stirlingův motor – zařízení, ve kterém je pracovní tekutina v uzavřeném prostoru. Je to druh motoru s vnějším spalováním. Princip jeho fungování je založen na periodickém ochlazování/ohřívání těla s produkcí energie v důsledku změny jeho objemu. Je to jeden z nejúčinnějších motorů.
• Turbínový (rotační) motor s vnějším spalováním paliva. Takové instalace se nejčastěji vyskytují v tepelných elektrárnách.
• Turbínový (rotační) ICE se používá v tepelných elektrárnách ve špičkovém režimu. Není tak běžné jako ostatní.
• Turbovrtulový motor generuje část tahu díky vrtuli. Zbytek pochází z výfukových plynů. Jeho konstrukce je rotační motor (plynová turbína), na jehož hřídeli je namontována vrtule.
Jiné typy tepelných motorů
• Raketové, proudové a proudové motory, které získávají tah díky zpětnému rázuvýfukové plyny.
• Motory v pevné fázi využívají jako palivo pevné látky. Při práci se nemění jeho objem, ale tvar. Provoz zařízení využívá extrémně nízký teplotní rozdíl.
Jak zlepšit efektivitu
Je možné zvýšit účinnost tepelného motoru? Odpověď je třeba hledat v termodynamice. Studuje vzájemné přeměny různých druhů energie. Bylo zjištěno, že je nemožné přeměnit veškerou dostupnou tepelnou energii na elektrickou, mechanickou atd. Přitom jejich přeměna na tepelnou energii probíhá bez jakýchkoli omezení. To je možné díky skutečnosti, že povaha tepelné energie je založena na neuspořádaném (chaotickém) pohybu částic.
Čím více se tělo zahřeje, tím rychleji se budou pohybovat molekuly, které ho tvoří. Pohyb částic bude ještě nevyzpytatelnější. Spolu s tím každý ví, že pořádek lze snadno proměnit v chaos, který je velmi obtížné nařídit.
