hőhatékonyság

Amint azt már sokszor említettük, a hőgépek (például benzin- és dízelmotorok) hajlamosak sok energiát pazarolni hő formájában. Annak ellenére, hogy úgy tűnhet, a folyamatosan fejlődő technológia csak néhány százalékpontot tud kaparni ebben a nagy mennyiségű elpazarolt energiában, mert hőmotorok teljesen korlátozottak a működésének alapjául szolgáló fizikai törvények által, amelyek a termodinamika alapelvei.

Egyszerű módon meg fogjuk nézni, hogy mik ezek az elvek, hogyan befolyásolják az égésű motorok teljesítményét és miért már a jelenlegi motorok növekvő hatékonysága nem lehet túl messze a termodinamikai határtól. Más szavakkal, ahhoz, hogy a jelenleginél lényegesen alacsonyabb fogyasztást érjünk el, ha csak a motorok technológiáját befolyásoljuk, a fejlődésük nem lenne elég, inkább szükség lenne a hőmotorok hátrahagyására más hajtóanyag-típusok javára.

Hőmotor teljesítménye vagy hatékonysága

Fontosnak tűnik kezdeni a hatékonyság vagy a teljesítmény fogalmának meghatározásával, amelyet felcserélhető módon fogunk használni az egész cikkben. Tehát megértjük a teljesítmény mint egy motor az egyes felhasznált energiaegységeknél elvégzett munka.

Ha a motor által végzett munka (mozgásgenerálás) megegyezik a gyártásához felhasznált üzemanyag kémiai energiájával, ennek a feltételezett motornak a hatékonysága 100% lenne (tökéletes hatékonyság).

Nyilvánvalóan, egyetlen folyamat sem lehet 100% -nál hatékonyabb mert ez annyi lenne, mint azt mondani, hogy új energia jön létre. A termodinamika (az energia megőrzése) első elve tagadja ezt a lehetőséget.

Másrészt, ha az elvégzett munka kevesebb, mint az elfogyasztott energia, akkor a veszteség vagy a különbség a két érték között hővé változik, amit használhatatlan energiának tekinthetünk, és ezért pazarolunk.

A hőmotor maximális hatékonysága: a Carnot-ciklus

Minden hőmotor teljesítményének abszolút határa van, amely egy képzeletbeli, tökéletes, megfordítható gép teljesítménye, amelynek működési folyamata Carnot-ciklus. Ez a "tökéletes" maximális hatékonyság már jóval 100% alatt van, és fontos megjegyezni, hogy fizikai, abszolút és univerzális maximum lévén technológiai eszközökkel nem lehet túllépni.

A Carnot hőmotor teljesítménye csak attól függ, hogy mekkora hőmérsékleten és maximumon működik, ezért e két hőmérsékletre való tekintettel a számítása triviális. Szénhidrogének égésű égésű motorok esetében és az ebben a gyakorlati példában javasolt adatok alapján 17 ° C (290 K) és legfeljebb 1 570 ° C minimális hőmérsékletet (ami a környezeté lenne) C (1,843 K). A hőmérséklet ilyen kombinációja a maximális elméleti hozam 84,3%.

Nehéz pontos adatokat találni az égéstérben elért maximális hőmérsékletről, de a szénhidrogének 2000 o C körüli értéket égnek el, és már most is nagyon optimistának tűnik 1600 o C körüli értéket tekinteni az egész kamra átlaghőmérsékletének az égés utolsó pillanatában. égés. Így a 84% -os tökéletes hatékonyság ésszerűen optimista becslésnek tekinthető.

Ugyanez a számítás, amelyet a Wikipédiában végeztek, más értékeket vett fel példaként, és ezúttal benzinmotorokban, egy 73% maximális hatékonyság, bár ideális körülményeket feltételezve ez az érték figyelembe vehető a lehetséges hőmérsékletek alacsony tartományában. Ez ésszerűen pesszimista számítás lenne.

Bármelyik maximális hőmérsékletet is elérik az egyes motorok égéstérében, azt látjuk, hogy egy elméleti, reverzibilis és ideális gép, amelynek maximális és minimális hőmérséklete a belső égésű motor tartományában van 15-25% energiát veszítene hő formájában, igen vagy igen, a termodinamika alapelveinek közvetlen következményeként.

Benzin és dízel szemben Carnot tökéletes gépével

A benzin- és dízelmotorok hőmotorok, ezért a Carnot abszolút maximuma korlátozza őket, de lényegesen eltérően és definíció szerint kevésbé hatékonyan működnek, mint a tökéletes reverzibilis motorok, sok okból kifolyólag. Tehát pontosabb lenne megtenni ideális dízel- vagy benzinmotor elméleti modellje hogy megismerje maximális és felülmúlhatatlan hatékonyságát.

Ez a modell létezik, és egyfajta adaptációja a reverzibilis Carnot-ciklusnak az adott motorok működési ciklusához. Nem fogunk belemerülni a képleteikbe, de az eredményeikbe.

Kezdve egy Otto Cycle motorral (hagyományos benzin), és ennek a számításnak a Sevillai Egyetem magyarázata szerint ésszerű adatokat véve az érintett változókra, a a tökéletes elméleti benzinmotor maximális hatékonysága 8: 1 kompressziós aránnyal 56,5%.

Abban az esetben dízel ciklus, amely kissé eltér a benzintől és magasabb kompressziós arányt tesz lehetővé, ebben a ciklus elméleti modelljén végzett számításban látható, hogy tökéletes teljesítmény 18: 1 tömörítési arány esetén 63,2% lenne.

Ezek a teljesítmények (amelyek alacsonyabbak a Carnot abszolút maximumánál) megfelelnek az ideális motoroknak, ami magában foglalja a súrlódás hiányát, a szivattyúzás miatti veszteségeket, a pillanatnyi égési folyamatokat, a szelepek nyitását és bezárását nulla idő alatt, a nagyon lassú kompressziós folyamatokat és tágulás és hőszigetelés energiaveszteség nélkül. Más szavakkal, a való világban nem lehet olyan motorokat építeni, amelyek működnek, vagy akár megközelítik ezeket a feltételeket.

Mindez azt jelenti, hogy a hőmotor tervezésénél nem az lehet a cél, hogy az összes kémiai energiát mozgássá alakítsuk, hanem próbálja ne pazarolni sokkal többet, mint a felét, a legjobb esetben.

A valós világban dízelmotorral elérhető maximális hatékonyság figyelemre méltó példájaként már részletesen taglaltuk a világ legerősebb dugattyús motorjának, a 109 000 lóerős tengeri dízelnek az esetét. Maximális hatékonysága 51,5% volt, 100 centiméter/perc körüli forgás mellett. Mivel lassú sebessége sokkal hatékonyabbá teszi, mint egy autó-dízel, feltételezhető, hogy manapság egyetlen gépkocsiba telepített dízel sem haladja meg jóval a 40% -ot az optimális terhelési és terhelési mód mellett, ha eléri, és természetesen nem a teljes fordulatszámon.

Ami a benzinmotorokat illeti, ennek a számnak kb. 2/3-nak kell lennie a sok megkérdezett referencia alapján, így a modern benzin optimális teljesítményének hozzávetőleges értékének tekinthetjük azt a felhasználást, amely nem haladja meg az elfogyasztott energia 30% -át, feltételezve, hogy ezt a szintet elérték, és megint nem a fordulat és a terhelés teljes tartományában.

Minden esetben a hagyományos autó motorja által termelt hőről beszélünk elnyeli az üzemanyag kémiai energiájának legalább 60% -át dízel és legalább 70% benzin esetében. A gördülési ellenállást, az aerodinamikai ellenállást és az összes átviteli veszteséget még le kell vetni, amíg a jármű nem mozog ...

Következtetések

Mint láttuk, az üzemanyagban lévő energia jóval több mint fele elkerülhetetlenül elvész, amikor a hő megkezdi az átvitelt. A kétségtelenül megvalósítható technológiai fejlesztéseken kívül a hőmotorok definíció szerint, első nagyságrendű energiapazarlás és nem lesznek képesek abbahagyni a létüket. A termodinamika alapelvei abszolút megakadályozzák.

Tehát, ha csökkenteni akarjuk utazásaink energiafogyasztását, akkor a kicsi közül kell választanunk növekményes fejlesztések a jelenlegi belső égésű motorok fejlődéséből származik, amelyek termodinamikai mennyezete már nem lehet nagyon messze, vagy radikális változás a meghajtási modellben, amely határozottan elhagyja a 19. századi hőgépeket, és más típusú mechanizmusokkal használja ki az energiát.

Mivel az összes nagyon fontos probléma még megoldandó, elmondható, hogy a az elektromos motor nem hőmotor és a tényleges aktuális hatékonyságát általában meghaladja a 90% -ot, az energia megőrzésén kívül más határt nem ismerve.

Vajon sikerül-e valaha nyugdíjba vonni Carnot-t?