Der Betrieb vieler Maschinentypen wird von einer so wichtigen Kennzahl wie der Effizienz einer Wärmekraftmaschine geprägt. Jedes Jahr bemühen sich Ingenieure, fortschrittlichere Geräte zu entwickeln, die bei geringeren Kraftstoffkosten das maximale Ergebnis aus ihrer Verwendung erzielen.
Wärmekraftmaschine
Bevor wir verstehen, was Effizienz ist, müssen wir verstehen, wie dieser Mechanismus funktioniert. Ohne die Prinzipien seiner Wirkung zu kennen, ist es unmöglich, die Essenz dieses Indikators herauszufinden. Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das mit innerer Energie arbeitet. Jede Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, nutzt die Wärmeausdehnung von Stoffen mit steigender Temperatur. Bei Solid-State-Motoren ist es möglich, nicht nur das Volumen der Materie, sondern auch die Form des Körpers zu verändern. Der Betrieb eines solchen Motors unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik.
Funktionsprinzip
Um zu verstehen, wie eine Wärmekraftmaschine funktioniert, müssen die Grundlagen betrachtet werdenseine Entwürfe. Für den Betrieb des Geräts werden zwei Körper benötigt: heiß (Heizung) und k alt (Kühlschrank, Kühler). Das Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen (der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen) hängt von ihrem Typ ab. Oft fungiert der Dampfkondensator als Kühlschrank, und jede Art von Brennstoff, der im Ofen verbrennt, fungiert als Heizung. Der Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine ergibt sich aus der folgenden Formel:
Effizienz=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100 %.
Gleichzeitig kann der Wirkungsgrad eines realen Motors den nach dieser Formel ermittelten Wert niemals überschreiten. Auch dieser Indikator wird den obigen Wert niemals überschreiten. Um die Effizienz zu steigern, erhöhen Sie meistens die Temperatur der Heizung und reduzieren Sie die Temperatur des Kühlschranks. Beide Prozesse werden durch die tatsächlichen Betriebsbedingungen des Geräts eingeschränkt.
Wärmekraftmaschineneffizienz (Formel)
Während des Betriebs einer Wärmekraftmaschine wird Arbeit verrichtet, da das Gas beginnt, Energie zu verlieren und auf eine bestimmte Temperatur abkühlt. Letztere liegt meist einige Grad über der umgebenden Atmosphäre. Das ist die Kühlschranktemperatur. Eine solche spezielle Vorrichtung ist zur Kühlung mit anschließender Kondensation des Abdampfes ausgelegt. Wo Kondensatoren vorhanden sind, ist die Temperatur des Kühlschranks manchmal niedriger als die Umgebungstemperatur.
In einer Wärmekraftmaschine ist der Körper, wenn er erhitzt und ausgedehnt wird, nicht in der Lage, seine gesamte innere Energie für die Arbeit bereitzustellen. Ein Teil der Wärme wird zusammen mit Abgasen oder Dampf auf den Kühlschrank übertragen. Dieser Teilthermische innere Energie geht zwangsläufig verloren. Während der Kraftstoffverbrennung erhält der Arbeitskörper eine bestimmte Wärmemenge Q1 von der Heizung. Gleichzeitig leistet er noch Arbeit A, bei der er einen Teil der Wärmeenergie an den Kühlschrank abgibt: Q2<Q1.
EFFICIENCY charakterisiert die Effizienz des Motors im Bereich der Energiewandlung und -übertragung. Dieser Indikator wird oft in Prozent gemessen. Effizienzformel:
ηA/Qx100%, wobei Q die aufgewendete Energie, A die Nutzarbeit ist.
Basierend auf dem Energieerh altungssatz können wir schlussfolgern, dass der Wirkungsgrad immer kleiner als eins sein wird. Mit anderen Worten, es wird nie mehr sinnvolle Arbeit geben als die dafür aufgewendete Energie.
Der Motorwirkungsgrad ist das Verhältnis von nutzbarer Arbeit zu der vom Heizgerät gelieferten Energie. Es kann als folgende Formel dargestellt werden:
η=(Q1-Q2)/ Q1, wobei Q 1 - von der Heizung empfangene Wärme und Q2 - an den Kühlschrank abgegeben.
Wärmekraftmaschinenbetrieb
Die von einer Wärmekraftmaschine verrichtete Arbeit berechnet sich nach folgender Formel:
A=|QH| - |QX|, wobei A Arbeit ist, QH die vom Heizgerät aufgenommene Wärmemenge ist, QX - die dem Kühler zugeführte Wärmemenge.
Wärmekraftmaschineneffizienz (Formel):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Es ist gleich dem Verhältnis der vom Motor geleisteten Arbeit zur Menge anWärme. Bei dieser Übertragung geht ein Teil der Wärmeenergie verloren.
Carnot-Motor
Der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird beim Carnot-Gerät notiert. Dies liegt daran, dass es in diesem System nur auf die absolute Temperatur des Heizers (Тн) und des Kühlers (Тх) ankommt. Der Wirkungsgrad einer nach dem Carnot-Kreisprozess arbeitenden Wärmekraftmaschine wird durch folgende Formel bestimmt:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Die Gesetze der Thermodynamik erlaubten es uns, den maximal möglichen Wirkungsgrad zu berechnen. Erstmals wurde dieser Indikator vom französischen Wissenschaftler und Ingenieur Sadi Carnot berechnet. Er erfand eine Wärmekraftmaschine, die mit idealem Gas betrieben wurde. Es arbeitet mit einem Zyklus von 2 Isothermen und 2 Adiabaten. Das Funktionsprinzip ist recht einfach: Ein Heizkontakt wird mit Gas in den Behälter gebracht, wodurch sich das Arbeitsmedium isotherm ausdehnt. Gleichzeitig funktioniert es und erhält eine gewisse Wärmemenge. Nachdem das Gefäß thermisch isoliert ist. Trotzdem dehnt sich das Gas weiter aus, allerdings bereits adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung). Zu diesem Zeitpunkt fällt seine Temperatur auf den Kühlschrank. In diesem Moment ist das Gas mit dem Kühlschrank in Kontakt, wodurch es ihm während der isometrischen Kompression eine gewisse Wärmemenge abgibt. Anschließend wird das Gefäß wieder thermisch isoliert. Dabei wird das Gas adiabatisch auf sein ursprüngliches Volumen und seinen ursprünglichen Zustand komprimiert.
Sorten
In unserer Zeit gibt es viele Arten von Wärmekraftmaschinen, die nach unterschiedlichen Prinzipien und mit unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten. Sie alle haben ihre eigene Effizienz. Diese beinh altenFolgendes:
• Verbrennungsmotor (Kolben), ein Mechanismus, bei dem ein Teil der chemischen Energie des brennenden Kraftstoffs in mechanische Energie umgewandelt wird. Solche Geräte können Gas und Flüssigkeit sein. Es gibt 2-Takt- und 4-Takt-Motoren. Sie können einen kontinuierlichen Arbeitszyklus haben. Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung eines Kraftstoffgemisches sind solche Motoren Vergaser (mit äußerer Gemischbildung) und Diesel (mit innerem). Je nach Art der Energiewandler werden sie in Kolben, Strahl, Turbine und kombiniert unterteilt. Der Wirkungsgrad solcher Maschinen übersteigt 0,5 nicht.
• Stirlingmotor - ein Gerät, in dem sich die Arbeitsflüssigkeit in einem geschlossenen Raum befindet. Es ist eine Art externer Verbrennungsmotor. Das Funktionsprinzip basiert auf der periodischen Abkühlung/Erwärmung des Körpers mit der Erzeugung von Energie aufgrund einer Volumenänderung. Es ist einer der effizientesten Motoren.
• Turbinen-(Rotations-)Motor mit externer Verbrennung von Kraftstoff. Solche Installationen findet man am häufigsten in Wärmekraftwerken.
• Turbinen-(Rotations-)ICE wird in thermischen Kraftwerken im Spitzenbetrieb eingesetzt. Nicht so häufig wie andere.
• Ein Turboprop-Triebwerk erzeugt einen Teil des Schubs durch den Propeller. Der Rest kommt aus Abgasen. Seine Konstruktion ist ein Wankelmotor (Gasturbine), auf dessen Welle ein Propeller montiert ist.
Andere Arten von Wärmekraftmaschinen
• Raketen-, Turbostrahl- und Strahltriebwerke, die durch Rückstoß Schub erh altenAbgase.
• Solid-State-Motoren verwenden Feststoffe als Brennstoff. Beim Arbeiten ändert sich nicht sein Volumen, sondern seine Form. Der Betrieb des Geräts verwendet eine extrem niedrige Temperaturdifferenz.
Wie man die Effizienz verbessert
Ist es möglich, den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu steigern? Die Antwort muss in der Thermodynamik gesucht werden. Es untersucht die gegenseitigen Umwandlungen verschiedener Energiearten. Es wurde festgestellt, dass es unmöglich ist, alle verfügbare Wärmeenergie in elektrische, mechanische usw. umzuwandeln. Gleichzeitig erfolgt ihre Umwandlung in Wärmeenergie ohne Einschränkungen. Dies ist aufgrund der Tatsache möglich, dass die Natur der thermischen Energie auf der ungeordneten (chaotischen) Bewegung von Teilchen beruht.
Je mehr sich der Körper erwärmt, desto schneller bewegen sich die Moleküle, aus denen er besteht. Die Partikelbewegung wird noch unberechenbarer. Außerdem weiß jeder, dass Ordnung leicht in Chaos umgewandelt werden kann, was sehr schwer zu ordnen ist.
