Рейтинг фильтров для воды

Мы протестировали и выбрали лучшее очистное оборудование и бытовые фильтры

Какой КПД (в процентах) имеет паровая машина, от чего зависит?

Первые паровые двигатели не отличались универсальностью и эффективностью. Несовершенство конструкции приводило к высоким затратам на горючее при низком коэффициенте полезного действия.

В статье дан подробный разбор, что такое КПД паровых машин, от чего зависит этот параметр и как он рассчитывается. Дополнительно приведено сравнение КПД двигателей внешнего и внутреннего сгорания и примеры решения задач по расчетам КПД.

Каков средний коэффициент полезного действия?

КПД паровой машины зависит от степени выброса отработанного пара и конструктивных особенностей самой машины. В разные годы средняя характеристика машин постоянно увеличивалась:

  1. foto48505-2Первые паровые машины Папена, Савери, Ньюкомена имели КПД 0,5-1%.

    У них была простая конструкция, которая не предусматривала конденсацию отработанного пара в отдельный котел.

  2. Универсальная машина Уатта работала с КПД 8-25%. Она оснащалась 2 поршнями, золотниковым клапаном и конденсатором.
  3. Тепловые электростанции с системой множественного расширения, конденсации, отсечкой работают с КПД 30-40%.
  4. Современные парогазовые турбины работают с максимальным коэффициентом до 60 — 90%.

Стоит учесть, что рассматриваемая характеристика также зависит от общих габаритов устройства, в качестве привода какого устройства используются машины, и сколько процентов пара выводится в атмосферу.

Например, КПД тепловых станций, паровозов и пароходов увеличивается до 70-90 % в зимнее время, так как отработанный пар переводится в систему обогрева.

Каков КПД идеальной конструкции?

Идеальной паровой машиной считается двигатель, в котором температура подаваемого котлом пара, равна температуре используемого. При этом температура рабочего пара не должна снижаться за счет разницы с температурой внешней среды.

КПД идеальной паровой машины не может быть выше 50%. Данная характеристика рассчитывается по принципу Карно и его идеальной машины.

Также характеристика учитывает только работу с выпускаемым в атмосферу избытком отработанного пара. Если отработанный пар перенаправляется на работу иных механизмов или отопления, КПД повышается на 10-15%.

Почему устройства обладают невысоким параметром?

Причина кроется в технических особенностях каждого устройства и зависимости температуры пара в конденсаторе от внешней температуры среды. Разность температур называют температурным напором.

Для снижения зависимости применяется система из нескольких конденсаторов. Величина КПД зависит также от цикличности использования пара. Чем количество циклов больше, тем выше коэффициент полезной работы.

Какие способы используют для увеличения?

На величину КПД паровой машины влияют многие факторы. К ним можно отнести:

  1. foto48505-3Производительность котла. Высокая производительность обеспечивает бесперебойное поступление пара без скачков температуры.
  2. Компрессия цилиндров. Высокая компрессия позволяет использовать весь объем и давление впускного пара для смещения поршня.
  3. Количество расширений. Множественное расширение (несколько цилиндров с увеличенным объемом) позволяют использовать пар в несколько циклов. Тем самым один объем пара доводится с высокого до низкого давления, осуществляя работу поршней.
  4. Температура пара и цилиндров. Должна быть всегда высокой и стабильной. Если температура цилиндров ниже температуры пара, то часть энергии уходит на разогрев гильз, что снижает КПД.
  5. Система распределения пара с отсечкой. Позволяет использовать только заданный объем пара. Система отсечки представляет собой впускной клапан. Он открывается на определенное время только для перемещения поршня.

    Как только пар с заданным давление впрыскивается в гильзу, клапан закрывается. Почему отсечка пара увеличивает показатель? Отсечка позволяет экономить общий объем пара и поддерживать стабильное давление в системе.

  6. Система конденсации. Позволяет сохранять отработанный пар, конденсируя его в воду для повторного использования. Чем больше конденсаторов установлено на двигателе, тем выше температура отработанного пара и меньше объем конденсированной воды.
Еще одним фактором является применение использованного «мятого» пара. Если он переводится на работу вспомогательных систем, то КПД увеличивается, так как меньше пара выводится в атмосферу.

Как определить, чему равен показатель?

Рассмотрим, как рассчитать КПД парового двигателя.

Формула и алгоритм расчета

Коэффициент полезного действия для паровых двигателей определяет соотношение между выполненной механической работой и теплом, выделенным для производства пара. В физике данное значение обозначается буквой «n». Для расчета КПД паровой машины используется формула:

foto48505-4

Формула состоит из следующих параметров:

  • «η» — КПД машины.
  • «W» — выполненная механическая работа (Дж).
  • «Q» — объем затраченного тепла (Дж).

При расчете необходимо учитывать, что начальная температура пара всегда отличается от температуры используемого пара. При создании парового двигателя учитывается зависимость КПД от наличия конденсатора. Из этого следует, что начальная температура впрыска всегда выше температуры при конденсации.

Для его расчета применяется формула:

foto48505-5

Выражение состоит из:

  • «η» — КПД машины;
  • «≤1» — отношение к циклу Карно. КПД парового двигателя всегда меньше 1 или 100%.
  • «T2» — температура конечного цикла.
  • «T1» — температура начального цикла.
Данная формула не применима для расчета КПД паровых машин без конденсатора и с прямым выводом отработанного пара в атмосферу. При расчете КПД паровых двигателей также учитывается масса сгораемого топлива и количество часов работы на этом топливе.

Несколько примеров

Далее будут даны 2 примера расчета величины КПД разных двигателей.

Задача:

  1. Мощность паровой машины 220 кВт.
  2. Получаемое для работы в течении 1 часа тепло 25,2 МДж.
  3. КПД машины -?

Для расчета используется формула η= N/Q, где:

  • «N» — мощность машины 220 кВт.
  • «Q» — используемая теплота 25,2 МДж.
  • Время работы 1 час или 3600 секунд.

foto48505-6

Ответ: КПД парового двигателя мощностью 220 кВт равен 31,4%.

Задача:

  1. Мощность парового двигателя 550 кВт.
  2. Рабочее тепло 70,5 МДж.
  3. Время работы 2 часа.
  4. Отведенный пар используется в качестве отопления.
  5. КПД -?

foto48505-7

Ответ: КПД парового двигателя с последующим отводом на отопление равен 56,1%.

Что это означает: КПД равен 25 и 20%?

КПД 20 и 25% — это процентное соотношение полученной работы от использованной энергии. Иными словами, двигатель потребляет на работу всего 20-25% энергии пара от 100% сожженного горючего.

Остальные 80% уходят на:

  • обогрев цилиндров,
  • конденсацию,
  • вывод в атмосферу,
  • поддержание температуры и давления.

Сравнение с КПД бензинового двигателя

Прежде чем сравнивать два типа двигателей, необходимо учесть, что паровой двигатель -внешнего сгорания, а бензиновый — внутреннего. Также учитывается сложность конструкции и тип топлива.

Приведем сравнение:

  1. foto48505-8КПД современных паровых машин может доходить до 60%, а турбин, работающих на ТЭЦ, до 90%.

    Но это параметры с учетом системы последующего использования пара в качестве отопления.

  2. КПД бензиновых моторов зависит от качества сгораемого топлива и степени его воспламенения. Современные двигатели обладают КПД до 35%. Проблема заключается в потерях тепла на обогрев смежных механизмов и выбросах неотработанного топлива в атмосферу.
  3. КПД дизельных двигателей достигает 55-60%. Этот тип мотора схож с паровым двигателем зависимостью от температуры рабочих цилиндров. При поддержании рабочей температуры топливо сгорает эффективнее, а значит без потери КПД.

При сравнении также стоит учитывать давление на вал и механическую работу иных механизмов.

Паровой двигатель не нуждается в установке коробки передач, раздаточной коробке и дифференциала. Отсюда следует, что вся полученная энергия тратится только на работу вала или махового колеса.

Заключение

Паровые машины способны показывать максимальную эффективность только при идеальной конструкции с учетом поддержания давления и температуры пара. Если эти критерии не соблюдаются, двигатель теряет значительную часть полезной работы.

При всей своей простоте, паровые двигатели остаются востребованными в энергетике, транспорте и производстве.

А какова Ваша оценка данной статье?
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...