Більшість двигунів, що використовуються в сучасному суспільстві, є тепловими. До них відносяться:
- парові електрогенератори;
- автомобілі;
- вантажівки;
- паровози;
- холодильники;
- кондиціонери;
- теплові насоси.
Звичайно, їх загальної потужності не вистачить, щоб змусити Землю обертатися, але вони беруть участь практично у всьому, що відбувається на планеті. Тому кожна сучасна освічена людина повинна знати, як вони працюють, що таке ККД теплового двигуна і його формулу.
Поняття теплового двигуна
Така машина працює по термодинамічному циклу. Це пристрій, який перетворює теплову енергію в механічну, використовуючи перший і другий закони термодинаміки, що описують перетворення тепла в роботу.
Модифікації теплових машин:
- парова машина;
- машина Стірлінга;
- двигуни внутрішнього згоряння – бензиновий і дизельний;
- газова турбіна;
- парова турбіна;
- авіаційні реактивні двигуни.
Пристрої зовнішнього і внутрішнього згоряння
У першому варіанті паливо згорає зовні, в спеціальній камері або топці, що розміщені на віддаленій відстані від основної частини двигуна, що створює роботу або забезпечує рух вала. Як приклад можна привести паровий двигун паровоза.
Вугілля подається в топку котла, який нагріває воду, перетворюючи її в пар, що надходить в сталевий циліндр. У ньому пар під великим тиском переміщує щільно прилеглий поршень. Рухомий поршень приводить в дію агрегат, до якого він прикріплений, завдяки чому рухається локомотив.
У пристроях внутрішнього згоряння паливо горить всередині його камери. Наприклад, в автомобільному двигуні влаштовано від чотирьох до шести окремих циліндрів, всередині яких бензин згорає, виділяючи теплову енергію. Циліндри “працюють” поперемінно, щоб забезпечити стабільну потужність двигуна, що приводить в рух колеса автомобіля.
Двигуни внутрішнього згоряння, як правило, набагато ефективніші, ніж двигуни зовнішнього, тому що не втрачається енергія, передана теплом, отриманим в циліндрі, всі процеси протікають в одному корпусі.
Аналіз теплового циклу
Тепловий цикл містить чотири базові термодинамічні процеси. Спочатку відбувається перетворення стану робочого тіла, а потім, повернення його в початковий стан: стиснення, отримання тепла, розширення і відведення тепла.
Кожен з цих процесів здійснюється за наступною схемою, яка визначає умови реалізації циклу:
- Ізотермічний – робота виконується при постійній температурі.
- Ізобаричний – робочий цикл реалізується при постійному тиску.
- Ізометричний – тепловий процес протікає при постійному об’ємі.
- Адіабатичний – цикл здійснюється при постійній ентропії.
Для того, щоб процес був максимально наближений до оборотного, є два способи переміщення поршня: ізотермічний — це означає, що тепло поступово надходить або виходить з резервуара при температурі, що нескінченно відрізняється від температури газу в поршні, і адіабатичний, при якому теплообмін взагалі не відбувається, а газ діє як пружина.
Таким чином, коли підводиться тепло і газ розширюється, температура газу повинна залишатися такою ж, як і у джерела тепла, при цьому газ розширюється ізотермічно. Точно так само, пізніше, він буде стискатися в циклі ізотермічно, з виділенням тепла.
Щоб з’ясувати ефективність, потрібно простежити за повним циклом двигуна, з’ясувати, скільки він працює, скільки тепла забирається з палива і скільки енергії втрачається при підготовці до наступного циклу.
Характеристики теплового циклу, пов’язаного з тепловим двигуном, зазвичай описуються за допомогою двох діаграм зміни стану: діаграми PV, що показує співвідношення тиск-об’єм, і діаграми TS, що демонструє пару температура-ентропія.
Для постійної маси газу робота теплового двигуна являє собою повторюваний цикл, і його PV-діаграма буде виглядати замкнутою фігурою.
ККД теплової машини
Тепловий двигун Карно – це теоретична модель ідеального теплового двигуна, що показує, як найкращий ідеальний агрегат здатний постійно працювати в циклі з чотирьох процесів, званих циклом Карно.
Ідеальний тепловий двигун Фізика Карно працює на газовому середовищі, що укладений в циліндрі з поршнем. Газ бере енергію від джерела тепла, розширюється і виштовхує поршень назовні. Коли поршень повертається в циліндр, він стискає і нагріває газ, тому газ завершує цикл з параметрами по тиску, об’єму і температурі, з яких починав.
ККД теплового двигуна, можна визначити формулою:
η = (T h-T c)/TH або η = 1-T c/Th
де:
- η — ефективність роботи теплового двигуна або ККД;
- Th — температура гарячого джерела;
- Tc — температура холодного джерела.
Висновок, до якого прийшов Карно: ефективність двигуна, як реального, так і теоретичного, залежить від максимальної Tmax і мінімальної температури середовища Tmin, в якій він працює, і може бути описана формулою:
η = (Tmax-Tmin)/Tmax
Для створення цих умов на практиці, наприклад, на тепловій станції, спеціально встановлюють градирні у вигляді великого водяного охолоджувача, для того щоб максимально охолоджувати конденсат від парової турбіни, в цьому випадку ККД станції значно підвищується, кількість теплоти через парогенератор зростає і знижується вартість одиниці вироблення теплової та електричної енергії.
Причини неефективності теплових двигунів
У цьому сенсі будь-яка теплова машина на практиці є неефективною, що можна пояснити трьома причинами:
- Незворотність процесів. Згідно з принципом Карно, жоден пристрій не може бути більш ефективним, ніж теоретичний цикл Карно, за умови роботи в режимі з однаковими високотемпературними і низькотемпературними джерелами.
- Наявність тертя і теплових втрат. У реальних термодинамічних системах загальна неефективність реального циклу обумовлена втратами окремих компонентів. У пристроях, таких як турбіни, насоси та компресори, механічне тертя, теплові втрати і втрати в процесі згоряння визначають загальний розмір втрат і зниження ефективності.
- Недосконалість технологічного процесу. Це істотне джерело неефективності, воно виникає через вимушений компроміс, який приймають інженери при проєктуванні реального двигуна. Вони повинні враховувати вартість та інші фактори при розробці та експлуатації машинах.
Реальні ККД у сучасних машин
На практиці неможливо повністю перетворити тепло в механічну енергію. Ефективність навіть найдосконаліших теплових машин досить низька, зазвичай нижче 50%, а часто набагато нижче.
Теплова ефективність різних машин, розроблених і використовуваних сьогодні:
- В середині XX століття Типовий паровоз мав ККД близько 6%. Це означає, що на кожні 100 МДж згорілого вугілля виробляється тільки 6 МДж механічної енергії.
- Бензиновий автомобіль працює з ККД рівним 25%. Близько 75% відкидається у вигляді відпрацьованого тепла.
- Клас дизельних автомобілів працює на 35%, тому такі модифікації більш ефективні.
- Суднові дизельні двигуни мають ККД, що перевищує 50%.
- Сучасні атомні електростанції мають ККД близько 33%, тому для вироблення 1000 МВт електроенергії потрібно затратити 3000 МВт теплової енергії, одержуваної в результаті поділу ядер урану. Наступний шлях збільшення ККД – це підвищення параметрів перегрітої пари в парогенераторах, що вимагає збільшення тиску всередині котлів і обмежена можливостями металургії. Сучасні можливості технології дозволяють отримувати перегрітий пар високого тиску температурою 500-560°С.
- Вугільні теплові станції ТЕС з аналогічними параметрами перегрітої пари з багатоступінчастим підігрівом на турбогенераторі можуть досягати ККД 48%.
Людство з моменту винаходу парової машини Джеймсом Уаттом в 1769 році бореться за кожен додатковий відсоток ККД.
Найбільше що вдалося досягти – це сучасні газотурбінні установки з комбінованим циклом з двох циклів Брайтона і Ренкіна, з максимальним ККД теплової машини близько 55%, на відміну від одного парового циклу на ТЕЦ, що обмежена ККД 35-48%.
