Efficacité des moteurs thermiques. Efficacité du moteur thermique - formule. Le principe de fonctionnement des moteurs thermiques. Coefficient de performance (rendement) des moteurs thermiques Calcul du rendement d'un moteur thermique

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Pour que le moteur fonctionne, une différence de pression est nécessaire des deux côtés du piston du moteur ou des aubes de turbine. Dans tous les moteurs thermiques, cette différence de pression est obtenue en augmentant la température du fluide de travail de plusieurs centaines de degrés par rapport à la température ambiante. Cette élévation de température se produit lorsque le carburant est brûlé.

Le fluide de travail de tous les moteurs thermiques est le gaz (voir § 3.11), qui effectue un travail lors de la détente. Notons la température initiale du fluide de travail (gaz) à travers T 1 ... Cette température dans les turbines à vapeur ou les machines est acquise par la vapeur dans une chaudière à vapeur. Dans les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz, une élévation de température se produit lorsque le carburant est brûlé à l'intérieur du moteur lui-même. Température T 1 appelé la température de l'appareil de chauffage.

Le rôle du réfrigérateur

Au fur et à mesure du travail, le gaz perd de l'énergie et se refroidit inévitablement jusqu'à une certaine température. T 2 ... Cette température ne peut pas être inférieure à la température ambiante, car sinon la pression du gaz deviendra inférieure à la pression atmosphérique et le moteur ne pourra pas fonctionner. Généralement la température T 2 légèrement supérieure à la température ambiante. C'est ce qu'on appelle la température du réfrigérateur. Un réfrigérateur est une atmosphère ou des dispositifs spéciaux pour le refroidissement et la condensation de la vapeur résiduelle - des condenseurs. Dans ce dernier cas, la température du réfrigérateur peut être légèrement inférieure à la température de l'atmosphère.

Ainsi, dans le moteur, le fluide de travail lors de la détente ne peut pas consacrer toute son énergie interne à l'exécution du travail. Une partie de l'énergie est inévitablement transférée dans l'atmosphère (réfrigérateur) avec la vapeur d'échappement ou les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne et des turbines à gaz. Cette partie de l'énergie interne est irrémédiablement perdue. C'est exactement ce que dit la deuxième loi de la thermodynamique dans la formulation de Kelvin.

Un schéma de principe d'un moteur thermique est présenté à la figure 5.15. Le corps de travail du moteur reçoit la quantité de chaleur lors de la combustion du carburant Q 1 , faire son travail UNE" et transfère la quantité de chaleur au réfrigérateur | Q 2 | <| Q 1 |.

Efficacité du moteur thermique

Selon la loi de conservation de l'énergie, le travail fourni par le moteur est égal à

(5.11.1)

où Q 1 - la quantité de chaleur reçue du radiateur, un Q 2 - la quantité de chaleur apportée au réfrigérateur.

Le rendement d'un moteur thermique est le rapport du travail UNE", effectuée par le moteur, à la quantité de chaleur reçue du réchauffeur :

(5.11.2)

Dans une turbine à vapeur, le réchauffeur est une chaudière à vapeur, et dans les moteurs à combustion interne, les produits de combustion eux-mêmes.

Étant donné que tous les moteurs transfèrent de la chaleur au réfrigérateur,< 1.

Application de moteurs thermiques

L'utilisation de moteurs thermiques (principalement de puissantes turbines à vapeur) dans les centrales thermiques, où ils entraînent les rotors des générateurs de courant électrique, est de la plus grande importance. Environ 80% de toute l'électricité dans notre pays est produite dans des centrales thermiques.

Des moteurs thermiques (turbines à vapeur) sont également installés dans les centrales nucléaires. Ces stations utilisent l'énergie des noyaux atomiques pour produire de la vapeur à haute température.

Les moteurs thermiques sont principalement utilisés dans tous les principaux types de transports modernes. Sur les voitures, des moteurs à combustion interne à piston avec formation externe d'un mélange combustible (moteurs à carburateur) et des moteurs avec formation d'un mélange combustible directement à l'intérieur des cylindres (moteurs diesel) sont utilisés. Les mêmes moteurs sont installés sur les tracteurs.

Par chemin de fer jusqu'au milieu du XXe siècle. la machine principale était une machine à vapeur. Aujourd'hui, les locomotives diesel et les locomotives électriques sont principalement utilisées. Mais les locomotives électriques reçoivent également de l'énergie des moteurs thermiques des centrales électriques.

Dans le transport par eau, on utilise à la fois des moteurs à combustion interne et des turbines puissantes pour les grands navires.

Dans l'aviation, les moteurs à pistons sont installés sur les avions légers, et les turbopropulseurs et les moteurs à réaction, également appelés moteurs thermiques, sur les grands paquebots. Les moteurs à réaction sont également utilisés sur les fusées spatiales.

La civilisation moderne est impensable sans moteurs thermiques. Nous n'aurions pas d'électricité bon marché et serions privés de tous les types de transports modernes à grande vitesse.

Depuis les temps anciens, les gens ont essayé de convertir l'énergie en travail mécanique. Ils ont converti l'énergie cinétique du vent, l'énergie potentielle de l'eau, etc. À partir du XVIIIe siècle, apparaissent des machines qui transforment l'énergie interne du carburant en travail. De telles machines fonctionnaient grâce à des moteurs thermiques.

Un moteur thermique est un appareil qui convertit l'énergie thermique en travail mécanique, du fait de la dilatation (le plus souvent des gaz) à haute température.

Tous les moteurs thermiques ont des composants :

• Un élément chauffant... Un corps avec une température élevée par rapport à l'environnement.
• Corps de travail.Étant donné que l'expansion fournit du travail, l'élément devrait bien se développer. Typiquement, du gaz ou de la vapeur est utilisé.
• Glacière... Basse température corporelle.

Le fluide de travail reçoit de l'énergie thermique du réchauffeur. En conséquence, il commence à s'étendre et à fonctionner. Pour que le système effectue à nouveau le travail, il doit être remis dans son état d'origine. Par conséquent, le fluide de travail est refroidi, c'est-à-dire que l'énergie thermique en excès est, pour ainsi dire, déversée dans l'élément de refroidissement. Et le système revient à son état d'origine, puis le processus se répète à nouveau.

Calcul d'efficacité

Pour calculer l'efficacité, nous introduisons les désignations suivantes :

Q 1 - La quantité de chaleur reçue de l'élément chauffant

A’– Travail effectué par l’organisme de travail

Q 2 - La quantité de chaleur reçue par le fluide de travail du refroidisseur

Pendant le processus de refroidissement, le corps transfère de la chaleur, donc Q 2< 0.

Le fonctionnement d'un tel dispositif est un processus cyclique. Cela signifie qu'après avoir terminé un cycle complet, l'énergie interne reviendra à son état d'origine. Ensuite, selon la première loi de la thermodynamique, le travail effectué par le fluide de travail sera égal à la différence entre la quantité de chaleur reçue du réchauffeur et la chaleur reçue du refroidisseur :

Q 2 est une valeur négative, elle est donc prise modulo

L'efficacité est exprimée comme le rapport entre le travail utile et le travail total effectué par le système. Dans ce cas, le travail total sera égal à la quantité de chaleur dépensée pour chauffer le fluide de travail. Toute l'énergie dépensée est exprimée en termes de Q 1.

Par conséquent, l'efficacité est définie comme.

Le travail de nombreux types de machines est caractérisé par un indicateur aussi important que l'efficacité d'un moteur thermique. Chaque année, les ingénieurs s'efforcent de créer une technologie plus avancée, qui, avec moins, donnerait le maximum de résultat de son utilisation.

Dispositif de moteur thermique

Avant de comprendre ce que c'est, vous devez comprendre comment fonctionne ce mécanisme. Sans connaissance des principes de son action, il est impossible de connaître l'essence de cet indicateur. Un moteur thermique est un appareil qui fonctionne en utilisant l'énergie interne. Tout moteur thermique qui se transforme en moteur mécanique utilise la dilatation thermique de substances avec une augmentation de la température. Dans les moteurs à semi-conducteurs, il est possible de modifier non seulement le volume de matière, mais également la forme du corps. L'action d'un tel moteur est soumise aux lois de la thermodynamique.

Principe de fonctionnement

Afin de comprendre le fonctionnement d'un moteur thermique, il est nécessaire de considérer les bases de sa conception. Pour que l'appareil fonctionne, deux corps sont nécessaires : chaud (chauffage) et froid (réfrigérateur, glacière). Le principe de fonctionnement des moteurs thermiques (efficacité des moteurs thermiques) dépend de leur type. Souvent, un condenseur à vapeur agit comme un réfrigérateur et tout type de combustible qui brûle dans la chambre de combustion agit comme un appareil de chauffage. Le rendement d'un moteur thermique idéal se trouve par la formule suivante :

Rendement = (Chauffage - Refroidissement) / Chauffage. x 100 %.

En même temps, le rendement d'un moteur réel ne peut jamais dépasser la valeur obtenue selon cette formule. De plus, cet indicateur ne dépassera jamais la valeur susmentionnée. Pour augmenter l'efficacité, le plus souvent, la température de l'appareil de chauffage est augmentée et la température du réfrigérateur est diminuée. Ces deux processus seront limités par les conditions de fonctionnement réelles de l'équipement.

Pendant le fonctionnement d'un moteur thermique, un travail est effectué, car le gaz commence à perdre de l'énergie et se refroidit jusqu'à une certaine température. Cette dernière est généralement de plusieurs degrés au-dessus de l'atmosphère environnante. C'est la température du réfrigérateur. Un tel dispositif spécial est conçu pour un refroidissement suivi d'une condensation de la vapeur d'échappement. Lorsque des condensateurs sont présents, la température du réfrigérateur est parfois inférieure à la température ambiante.

Dans un moteur thermique, le corps, lorsqu'il est chauffé et dilaté, n'est pas en mesure de céder toute son énergie interne pour effectuer un travail. Une partie de la chaleur sera transférée au réfrigérateur avec de la vapeur. Cette partie du thermique est inévitablement perdue. Lors de la combustion du carburant, le fluide de travail reçoit une certaine quantité de chaleur Q 1 du réchauffeur. Parallèlement, il effectue toujours le travail A, au cours duquel il transfère une partie de l'énergie thermique au réfrigérateur : Q 2

L'efficacité caractérise l'efficacité d'un moteur dans la conversion et la transmission de puissance. Cet indicateur est souvent mesuré en pourcentage. Formule d'efficacité :

η * A / Qx100%, où Q - énergie dépensée, A - travail utile.

Sur la base de la loi de conservation de l'énergie, nous pouvons conclure que le rendement sera toujours inférieur à l'unité. En d'autres termes, il n'y aura jamais de travail plus utile que l'énergie qui y est dépensée.

Le rendement du moteur est le rapport entre le travail utile et l'énergie fournie par l'appareil de chauffage. Elle peut être représentée sous la forme de cette formule :

η = (Q 1 -Q 2) / Q 1, où Q 1 est la chaleur reçue du radiateur et Q 2 est transmise au réfrigérateur.

Fonctionnement du moteur thermique

Le travail effectué par un moteur thermique est calculé à l'aide de la formule suivante :

A = |QH | - | Q X |, où A est le travail, Q H est la quantité de chaleur reçue du radiateur, Q X est la quantité de chaleur donnée au refroidisseur.

|QH | - | Q X |) / | Q H | = 1 - | Q X | / | Q H |

Il est égal au rapport entre le travail effectué par le moteur et la quantité de chaleur reçue. Une partie de l'énergie thermique est perdue lors de ce transfert.

moteur Carnot

Le rendement maximum d'un moteur thermique est observé dans le dispositif Carnot. Cela est dû au fait que dans ce système, cela ne dépend que de la température absolue du réchauffeur (Tn) et du refroidisseur (Tx). Le rendement d'un moteur thermique fonctionnant sur est déterminé par la formule suivante :

(Тн - Тх) / Тн = - Тх - Тн.

Les lois de la thermodynamique ont permis de calculer le rendement maximum possible. Pour la première fois, cet indicateur a été calculé par le scientifique et ingénieur français Sadi Carnot. Il a inventé un moteur thermique qui fonctionnait au gaz parfait. Il fonctionne dans un cycle de 2 isothermes et 2 adiabatiques. Le principe de son fonctionnement est assez simple: un contact chauffant est amené au récipient avec du gaz, à la suite duquel le fluide de travail se dilate de manière isotherme. En même temps, il fonctionne et reçoit une certaine quantité de chaleur. Après cela, le navire est isolé. Malgré cela, le gaz continue de se dilater, mais déjà de manière adiabatique (sans échange de chaleur avec l'environnement). A ce moment, sa température descend au niveau du réfrigérateur. A ce moment, le gaz est en contact avec le réfrigérateur, ce qui lui donne une certaine quantité de chaleur lors de la compression isométrique. Ensuite, le navire est à nouveau isolé. Dans ce cas, le gaz est comprimé de manière adiabatique jusqu'à son volume et son état d'origine.

Variétés

De nos jours, il existe de nombreux types de moteurs thermiques qui fonctionnent sur des principes différents et sur des carburants différents. Ils ont tous leur propre efficacité. Il s'agit notamment des éléments suivants :

Moteur à combustion interne (piston), mécanisme par lequel une partie de l'énergie chimique du carburant de combustion est convertie en énergie mécanique. De tels dispositifs peuvent être gazeux et liquides. Une distinction est faite entre les moteurs 2 et 4 temps. Ils peuvent avoir un cycle de service continu. Selon le procédé de préparation d'un mélange de carburant, ces moteurs sont à carburateur (avec formation de mélange externe) et diesel (avec interne). Selon les types de convertisseurs d'énergie, ils sont divisés en piston, jet, turbine, combinés. L'efficacité de ces machines ne dépasse pas 0,5.

Un moteur Stirling est un appareil dans lequel le fluide de travail se trouve dans un espace confiné. C'est une sorte de moteur à combustion externe. Son principe de fonctionnement est basé sur un refroidissement/échauffement périodique du corps avec la réception d'énergie due à une modification de son volume. C'est l'un des moteurs les plus efficaces.

Moteur à turbine (rotatif) à combustion externe de carburant. De telles installations se trouvent le plus souvent dans les centrales thermiques.

Le moteur à combustion interne à turbine (rotative) est utilisé dans les centrales thermiques en mode de pointe. Pas aussi commun que les autres.

L'hélice de turbine génère une partie de la poussée due à l'hélice. Le reste, il le tire des gaz d'échappement. Sa conception est un moteur rotatif sur l'arbre duquel est montée une hélice pneumatique.

Autres types de moteurs thermiques

Fusée, turboréacteur et qui sont poussés par le retour des gaz d'échappement.

Les moteurs à semi-conducteurs utilisent un corps solide comme carburant. Lorsqu'on travaille, ce n'est pas son volume qui change, mais sa forme. Lors de l'utilisation de l'équipement, une chute de température extrêmement faible est utilisée.

Comment améliorer l'efficacité

Est-il possible d'augmenter le rendement d'un moteur thermique ? La réponse doit être recherchée en thermodynamique. Elle étudie les transformations mutuelles de différents types d'énergie. Il a été établi qu'il est impossible d'avoir toutes les mécaniques disponibles, etc. Dans ce cas, leur transformation en chaleur se fait sans aucune restriction. Ceci est possible du fait que la nature de l'énergie thermique est basée sur le mouvement désordonné (chaotique) des particules.

Plus le corps se réchauffe, plus les molécules qui le constituent se déplaceront rapidement. Le mouvement des particules deviendra encore plus chaotique. Parallèlement à cela, tout le monde sait que l'ordre peut facilement se transformer en chaos, ce qui est très difficile à ordonner.

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