Функциональная схема теплового двигателя

Стационарные щиты управления двигателем MCC / iMCC

Функциональная система Prisma Plus компании Schneider Electric применяется для сборки электрораспределительных щитов низкого напряжения, а также щитов управления электродвигателями любых типов, промышленного и коммерческого применения.

Функциональная схема для реализации щитов управления двигателем рассчитана на питание электродвигателей мощностью не более 37 кВт, стационарная функциональная схема рассчитана на применение выключателей номиналом до 3200А.

Подробнее о потерях

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

2. Работа газа в тепловых двигателях

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

Задачи и вопросы на цикл Карно

Затрагивая тему тепловых двигателей, невозможно оставить в стороне цикл Карно – пожалуй, самый знаменитый цикл работы тепловой машины в физике. Приведем дополнительно несколько задач и вопросов на цикл Карно с решением.

Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).

Задача на цикл Карно №1

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 73,5 кДж. Температура нагревателя t1 =100° С, температура холодильника t2 = 0° С. Найти КПД цикла, количество теплоты, получаемое машиной за один цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику.

Рассчитаем КПД цикла:

С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:

Количество теплоты, отданное холодильнику, будет равно разности общего количества теплоты и полезной работы:

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А=2,94 кДж и отдает за один цикл холодильнику количество теплоты Q2=13,4 кДж. Найти КПД цикла.

Формула для КПД цикла Карно:

Здесь A – совершенная работа, а Q1 – количество теплоты, которое понадобилось, чтобы ее совершить. Количество теплоты, которое идеальная машина отдает холодильнику, равно разности двух этих величин. Зная это, найдем:

Задача на цикл Карно №3

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

• 1-2. Изотермическое расширение, рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1;
• 2-3. Адиабатическое расширение, тепло не подводится;
• 3-4. Изотермическое сжатие, в ходе которого тепло передается холодильнику;
• 4-1. Адиабатическое сжатие.

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

Ответ. Первая теорема Карно гласит: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела.

Вопрос на цикл Карно №2

Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?

Ответ. Нет. КПД цикла карно будет равен 100% только в случае, если температура холодильника будет равна абсолютному нулю, а это невозможно.

Если у вас остались вопросы по теме тепловых двигателей и цикла Карно, вы можете смело задавать их в комментариях. А если нужна помощь в решении задач или других примеров и заданий, обращайтесь в

Принципы действия тепловых двигателей

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T₁ называют температурой нагревателя.

Подбор терморегулятора для теплого пола

Для нормальной работы теплых полов требуется установка теплового реле — терморегулятора, с помощью которого можно значительно сократить расходы на отопление. Прибор здесь требуется только для включения и отключения подогрева в определенный временной промежуток либо после подачи сигнала от термометра.

Выбирая терморегулятор, в первую очередь следует учитывать его мощность, которая должна быть идентична мощности теплого поля.

Также для определенных типов теплых полов необходимо подбирать и тип теплового реле, разделяющихся на несколько групп:

• устройства, предназначенные только для обеспечения экономичного режима, позволяющие сократить расход электроэнергии;
• приборы с настраиваемым таймером, при помощи которого устанавливаются периоды времени, на протяжении которых будет осуществляться прогрев помещения с определенной интенсивностью;
• аппараты, которые возможно запрограммировать на сложные регламенты функционирования, чередующие периоды работы в экономном режиме и максимального обогрева;
• реле, в котором имеется встроенный ограничитель, предотвращающий чрезмерный нагрев напольного покрытия и греющего элемента.

Подбор терморегулятора для определенного помещения осуществляется в зависимости от его площади. Для небольшой комнаты больше подойдет обыкновенный аппарат без сложных настроек и программирования. Установка более сложных приборов необходима для просторных помещений. В таких комнатах чаще всего устанавливают электронные реле, оснащенные установленными в толще пола датчиками температуры.

Схема установки

Тепловое реле при обустройстве теплых полов рекомендуется монтировать в непосредственной близости от розеток на удалении от пола 0,6-1,0 м. Перед тем, как приступить к работе, домашнюю электросеть следует отключить.

Установку теплового регулятора следует начинать с подведения проводов питания к монтажной коробке. Затем между реле и нагревателем нужно установить и подключить датчик температуры, укладывающийся в гофрированную трубу.

Совет №2: Подсоединение проводов к терморегулятору необходимо производить согласно приведенной выше схемы. Нулевая и фазная жилы подсоединяются к соответствующим контактам, а кабель от датчика подводится в гнезда, подписанные как «Сенсор».

Само реле размещается в монтажной коробке. При наличии помех в виде гофр, их следует устранить. Терморегулятор нужно расположить строго горизонтально по уровню. Панель управления ставится на свое постоянное место и крепится при помощи винтов.

Обзор производителей

Для теплых полов выпускается множество моделей терморегуляторов. Несколько наиболее популярных моделей представлены в таблице.

Точность настройки 1

Преимущества элеватора

Некоторые пользователи утверждают, что схема элеватора является нерациональный, и намного проще было бы подавать потребителям теплоноситель меньшей температуры. В действительности же такой подход предусматривает увеличение диаметра магистральных трубопроводов для подачи более холодной воды, что приводит к дополнительным расходам.

Выходит, что качественная схема теплового отопительного узла дает возможность смешивать с подающим объемом воды долю воды из обратки, которая уже успела остыть. Несмотря на то, что отдельные источники элеваторных узлов отопительных систем относятся к старым гидравлическим агрегатам, по факту они являются эффективными в работе. Имеются и более новые агрегаты, пришедшие на замену схем элеваторного узла. Такая схема теплоснабжения многоквартирного дома более эффективна и экономична.

К ним относятся следующие типы оборудования:

• теплообменник пластинчатого типа;
• смеситель, оснащенный трехходовым клапаном.

Достоинства, топливо, варианты размещения мини-ТЭЦ. Принципиальная схема

Достоинствами мини-ТЭЦ являются:

• Комбинирование процесса производства электроэнергии и тепла;
• Низкая стоимость единицы тепловой и электрической мощности;
• Качество и бесперебойность энергоснабжения;
• Соответствие европейским экологическим стандартам;
• Низкий срок окупаемости и большой ресурс энергоблока;
• Непосредственная близость к конечному потребителю и связанное с этим отсутствие затрат на сооружение коммуникаций и неизбежных потерь при передаче энергии по сетям;
• Позволяет избежать затрат на строительство дорогостоящих высоковольтных линий электропередач (ЛЭП);
• Компактность установок мини-ТЭЦ;
• Оперативность ввода в эксплуатацию мини-ТЭЦ;
• Оптимальное соответствие режиму многократного пуска и остановки;
• Низкая себестоимость производимой энергии мини ТЭЦ;
• Низкие сроки окупаемости оборудования;
• Простота и удобство в эксплуатации – весь процесс управления работой станции полностью автоматизирован;
• Высокая надежность основных узлов и агрегатов.

Топливо для мини-ТЭЦ

Виды используемого топлива

газ: природный газ магистральный, природный газ сжиженный и другие горючие газы;

жидкое топливо: нефть, мазут, дизельное топливо, биодизель и другие горючие жидкости;

твердое топливо: уголь, древесина, торф и прочие разновидности биотоплива.

Наиболее эффективным и недорогим топливом в России является магистральный природный газ, а также попутный газ.

Варианты размещения мини-ТЭЦ

Стационарные мини-ТЭС (в здании). В случае наличия свободного помещения или готовности Заказчика построить специальное помещение под энергокомплекс. Установка может быть размещена непосредственно в здании.

Такие здания должны быть оснащены системами жизнеобеспечения работы технологического оборудования, которое соответствует требованиям правил безопасности систем газораспределения и правил пожарной безопасности.

Модульные мини-ТЭС (в контейнере). Для ввода энергокомплекса в эксплуатацию в сжатые сроки, в отсутствие возможности строительства собственного здания под мини-ТЭС, требуется оборудование высокой заводской готовности, которое позволит избежать длительный этап строительства здания и монтажных работ. Для таких ситуаций предпочтителен выбор энергокомплекса в контейнерном исполнении. При этом дополнительным преимуществом является возможность оперативного изменения местоположения энергоцентра.

Принципиальная схема мини-ТЭЦ(ТЭС)

Мини-ТЭЦ (ТЭС) состоит из следующих узлов:

• газовый двигатель
• электрогенератор
• система теплообменников
• система принудительного охлаждения
• система отвода газов
• распределительный щит
• система автоматики и контроля являются неотъемлемыми частями газопоршневой мини-ТЭЦ(ТЭС) и обеспечивают её надёжную работу.

Главными модулями установки являются газопоршневой двигатель, вращающий вал генератора, и электрогенератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
Система теплообменников осуществляет отведение тепла, выделяющегося при работе ДВС в систему отопления или горячего водоснабжения.

Система принудительного охлаждения, представляющая собой радиатор, отводит излишки тепла в атмосферу.

Система отвода отходящих газов с глушителем выводит в атмосферу переработанный установкой газ.

Распределительное устройство и система управления и контроля, как правило, располагаются в диспетчерских помещениях.

Индикаторы, расположенные на дверцах распределительных устройств сигнализируют о состоянии энергоцентра.

На экране компьютера выведены принципиальная схема работы, и все параметры работы мини-ТЭЦ(ТЭС) в режиме реального времени.

Так как работа установки полностью автоматизирована, постоянного нахождения оператора на рабочем месте не требуется. При необходимости, мониторинг работы мини-ТЭЦ(ТЭС) можно отслеживать удалённо через сеть интернет.

В качестве двигателя мини-ТЭЦ могут использоваться поршневой двигатель (внутреннего сгорания), газовая турбина, паровая турбина, а также их комбинации.

Двигатели внутреннего сгорания применяются для привода автономных электростанций, которые часто используются в качестве резервных источников электроэнергии или в местностях, где отсутствует централизованное энергоснабжение. При оснащении теплообменным оборудованием или котлом-утилизатором они преобразуются в мини-ТЭЦ, при этом для отопления и горячего водоснабжения используется тепло выхлопных газов, а в моделях с глубокой утилизацией – еще и тепло систем охлаждения и смазки. В механическую работу преобразуется около трети энергии топлива. Остальная ее часть превращается в тепловую.

Кроме дизельных двигателей внутреннего сгорания используются также газовые и газодизельные. Первый может быть оборудован несколькими карбюраторами, что дает возможность работать на нескольких сортах газа. А так называемые газодизели одновременно с газом потребляют до 10% дизтоплива, в аварийном же режиме переходят с газа на солярку.

Широко используются в энергетике газотурбинные двигатели, несмотря на то что они уступают поршневым по размеру удельных капвложений в производство электрической и тепловой энергии (около 20%).

Основные части газотурбинного двигателя – газогенератор и силовая турбина, они размещаются в одном корпусе. Газогенератор включает в себя турбокомпрессор и камеру сгорания, где создается высокотемпературный поток газов, который воздействует на лопатки силовой турбины. За счет утилизации тепла выхлопных газов с помощью теплообменника, водогрейного или парового котла-утилизатора обеспечивается тепловая производительность.

Значительная часть газотурбинных теплоэлектростанций малой и средней мощности создана на базе авиационных и судовых двигателей, но существуют также установки, изначально разработанные как энергетические.

При подключении абсорбционной установки холодоснабжения можно тепловую энергию использовать для кондиционирования (тригенерация).

Еще одним фактором, выступающим в пользу автономных ТЭЦ, является их экологическая безопасность. Подобные установки имеют низкий уровень вредных выбросов (СО и NOx) в атмосферу и соответствует нормам по выбросам. При необходимости уровень выбросов NOx можно снизить в два раза регулировкой двигателя (за счет незначительного снижения КПД порядка 1-2 %), уровень выбросов СО можно снизить установкой в систему выхлопа дополнительных окислительных катализаторов.

И, наконец, использование когенерационных установок экономически выгодно, т.к. нет необходимости в строительстве подводящих кабельных линий электроснабжения и тепловых сетей, а в совокупности выработка электрической и тепловой энергии экономит до 40% средств инвестора. Доход (или экономия) от реализации тепловой и электрической энергии покрывает все расходы на установку мини-ТЭЦ. Окупаемость капитальных вложений на когенераторы происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивается тем самым быстрый и устойчивый возврат инвестиций.

Электрический КПД и себестоимость энергии мини-ТЭЦ(ТЭС).

Применение технологии одновременного производства электроэнергии и тепла повышают эффективность электростанции на 30-40% и достигают расчётного суммарного КПД в размере 88%, а стоимость вырабатываемой электроэнергии значительно дешевле тарифов центральной электросети. Использование мини-ТЭЦ(ТЭС) выгодно за счёт отсутствия потерь электроэнергии и тепла, а также необходимости постоянного ремонта старых теплотрасс. При сгорании одного кубометра природного газа можно получить 3,6 кВт*ч электроэнергии себестоимостью 70-80 коп. (с учётом эксплуатационных расходов).