Коэффициент полезного действия показывает отношение пригодной работы, которая выполняется механизмом либо устройством, к затраченной. Зачастую за затраченную работу принимают число энергии, которое потребляет устройство для того, дабы исполнить работу.
Вам понадобится
- – автомобиль;
- – термометр;
- – калькулятор.
Инструкция
2. При расчете КПД теплового мотора, пригодной работой считайте механическую работу, исполненную механизмом. За затраченную работу берите число теплоты, выделяемое сгоревшим топливом, которое является источником энергии для мотора.
3. Пример. Средняя сила тяги мотора автомобиля составляет 882 Н. На 100 км пути он потребляет 7 кг бензина. Определите КПД его мотора. Вначале обнаружьте пригодную работу. Она равна произведению силы F на расстояние S, преодолеваемое телом под ее воздействием Ап=F?S. Определите число теплоты, которое выделится при сжигании 7 кг бензина, это и будет затраченная работа Аз=Q=q?m, где q – удельная теплота сгорания топлива, для бензина она равна 42?10^6 Дж/кг, а m – масса этого топлива. КПД мотора будет равен КПД=(F?S)/(q?m)?100%= (882?100000)/(42?10^6?7)?100%=30%.
4. В всеобщем случае дабы обнаружить КПД, всякий тепловой машины (мотора внутреннего сгорания, парового мотора, турбины и т.д.), где работа выполняется газом, имеет показатель полезного действия равный разности теплоты отданной нагревателем Q1 и полученной холодильником Q2, обнаружьте разность теплоты нагревателя и холодильника, и поделите на теплоту нагревателя КПД= (Q1-Q2)/Q1. Тут КПД измеряется в дольных единицах от 0 до 1, дабы перевести итог в проценты, умножьте его на 100.
5. Дабы получить КПД безукоризненной тепловой машины (машины Карно), обнаружьте отношение разности температур нагревателя Т1 и холодильника Т2 к температуре нагревателя КПД=(Т1-Т2)/Т1. Это предельно допустимый КПД для определенного типа тепловой машины с заданными температурами нагревателя и холодильника.
6. Для электродвигателя обнаружьте затраченную работу как произведение мощности на время ее выполнения. Скажем, если электродвигатель крана мощностью 3,2 кВт поднимает груз массой 800 кг на высоту 3,6 м за 10 с, то его КПД равен отношению пригодной работы Ап=m?g?h, где m – масса груза, g?10 м/с? убыстрение свободного падения, h – высота на которую подняли груз, и затраченной работы Аз=Р?t, где Р – мощность мотора, t – время его работы. Получите формулу для определения КПД=Ап/Аз?100%=(m?g?h)/(Р?t) ?100%=%=(800?10?3,6)/(3200?10) ?100%=90%.
Показатель пригодного действия (КПД) – это показатель производительности какой либо системы, будь то мотор автомобиля, машина либо другой механизм. Он показывает, как результативно данная система использует получаемую энергию. Вычислить КПД дюже легко.
Инструкция
1. Почаще каждого КПД вычисляется из соотношения пригодно применяемой системой энергии ко каждой суммарно полученной энергии в определенный интервал времени. Стоит подметить, что КПД не имеет определенных единиц измерения. Впрочем, в школьной программе эту величину измеряют в процентах. Данный показатель, исходя из выше указанных данных, вычисляется по формуле:? = (A/Q)*100%, где? (“эта”) – это желанный КПД, A – пригодная работа системы, Q – суммированные затраты энергии, A и Q измеряются в Джоулях.
2. Указанный выше метод вычисления КПД не является исключительным, потому что пригодная работа системы (A) вычисляется по формуле:A = Po-Pi, где Po – подведенная системе энергия извне, Pi – потери энергии при работе системы. Развернув числитель указанной выше формулы, ее дозволено записать в дальнейшем виде:? = ((Po-Pi)/Po)*100%.
3. Дабы вычисление КПД было больше внятным и наглядным, дозволено разглядеть примеры.Пример 1: Пригодная работа системы равна 75 Дж, сумма затраченной для ее работы энергии составляет 100 Дж, требуется обнаружить КПД данной системы. Для решения этой задачи примените самую первую формулу:? = 75/100 = 0.75 либо 75%Ответ: КПД предложенной системы составляет 75%.
4. Пример 2: Подводимая для работы мотора энергия составляет 100 Дж, потери энергии при работе этого мотора 25 Дж, нужно вычислить КПД. Для решения предложенной задачи воспользуйтесь 2-й формулой подсчета желанного показателя:? = (100-25)/100 = 0.75 либо 75%. Результаты в обоих примерах получились идентичные, чай во втором случае были больше детально разобраны данные числителя.
Обратите внимание!
Многие типы современных моторов (скажем, ракетный мотор либо турбовоздушный) имеют несколько ступеней своей работы, и для всей ступени существует свой КПД, тот, что исчисляется по всякий из указанных формул. Но дабы обнаружить всеобщий показатель, понадобится перемножить все знаменитые КПД на всех этапах работы данного мотора:? = ?1*?2*?3*…*?.
Полезный совет
КПД не может быть огромнее единице, чай во время работы всякий системы неминуемо появляются потери энергии.
Попутные перевозки представляют собой разновидность транспортных перевозок, состоящую в загрузке транспортного средства, осуществляющего холостой пробег. Обстановки, когда транспорт вынужден передвигаться без груза, встречаются довольно зачастую, причем, как до, так и позже позже выполнения намеченного транспортного заказа. Для предприятия вероятность взять добавочный груз обозначает, как минимум, снижение финансовых потерь.
Инструкция
1. Оцените результативность применения попутных грузоперевозок реально для вашего предприятия. Значимым моментом, тот, что следует уяснить, является тот факт, что попутный груз может быть перевезен в то время, когда транспорт вынужденно перемещается порожняком позже осуществления первичной (стержневой) транспортной заявки. Если в деятельности вашего предприятия такие обстановки встречаются регулярно, отважно выбирайте такой метод оптимизации перевозок.
2. Оцените, какой попутный груз по массе и габаритам может перевезти ваше транспортное средство. Попутный груз может быть экономически выигрышным даже в том случае, если часть грузового пространства вашего автомобиля окажется не занятой.
3. Продумайте, из каких точек основного маршрута вы сумеете взять попутный груз. Комфортнее каждого, если такой груз вы можете получить в финальной точке планового маршрута и довезти его до места, где расположено ваше транспортное предприятие. Но такая обстановка может встретиться не неизменно. Следственно разглядите также вероятность некоторого отклонения от маршрута, просчитав, разумеется, экономическую рациональность такого метаморфозы.
4. Узнаете, не требуется ли обратная перевозка груза предприятию, в которое вы делаете плановую грузоперевозку. В этом случае значительно проще договориться о цене вопроса и обеспечить безопасность добавочного взаимовыгодного сотрудничества.
5. Обнаружьте несколько специализированных интернет-порталов, предоставляющих информационные службы в сфере грузоперевозок. Как водится, сайты таких компаний имеют соответствующие разделы, разрешающие разыскать попутный груз на пути вашего следования и оставить соответствующую заявку. В большинстве случаев применение такой вероятности требует, как минимум, регистрации на сайте. Будет совершенно, если информационный источник имеет встроенные вероятности для логистического обзора встречных предложений.
6. Не пренебрегайте сборными перевозками, когда в выбранном направлении на одном виде транспорта перевозятся грузы малого габарита от разных клиентов. При этом транспорт должен делать челночные маршруты по выбранным направлениям.
Обратите внимание!
Обнаружить попутный груз – абсолютно нетрудно! Основная задача работы нашего обслуживания – поиск разных загрузок, тот, что пользователи могут осуществлять не только =с максимальным для себя удобством, но и идеально даром. При помощи нашей системы, работа которой основывается на применении современных информационных спецтехнологий, обнаружить груз дозволено дюже легко.
Полезный совет
Видимо, что Вы решили купить либо взять в аренду огромный грузовой автомобиль, с подмогой которого Вы намерены зарабатывать деньги, путем перевозок грузов по России, СНГ и Европе. Все равно, наймете Вы водителя либо сами будете на нем ездить, Вам понадобятся заказчики, то есть грузы для перевозки. Тогда Вы обязательно задумаетесь либо теснее задумались, где и как обнаружить грузы для своего грузового автомобиля?
Дабы обнаружить показатель пригодного действия всякого двигателя , надобно пригодную работу поделить на затраченную и умножить на 100 процентов. Для теплового двигателя обнаружьте данную величину по отношению мощности, умноженной на продолжительность работы, к теплу, выделившемуся при сгорании топлива. Теоретически КПД теплового двигателя определяется по соотношению температур холодильника и нагревателя. Для электрических моторов обнаружьте отношение его мощности к мощности потребляемого тока.
Вам понадобится
- паспорт мотора внутреннего сгорания (ДВС), термометр, тестер
Инструкция
1. Определение КПД ДВС Обнаружьте в технической документации данного определенного двигателя его мощность. Залейте в его бак некоторое число топлива и запустите мотор, дабы он проработал некоторое время на полных циклах, развивая максимальную мощность, указанную в паспорте. С подмогой секундомера засеките время работы двигателя , выразив его в секундах. Через некоторое время остановите мотор, и слейте остатки топлива. Отняв от исходного объема залитого топлива финальный объем, обнаружьте объем израсходованного топлива. Применяя таблицу, обнаружьте его плотность и умножьте на объем, получив массу израсходованного топлива m=? V. Массу выразите в килограммах. В зависимости от вида топлива (бензин либо дизельное горючее), определите по таблице его удельную теплоту сгорания. Для определения КПД максимальную мощность умножьте на время работы двигателя и на 100%, а итог ступенчато поделите на его массу и удельную теплоту сгорания КПД =P t 100%/(q m).
2. Для совершенной тепловой машины, дозволено применить формулу Карно. Для этого узнайте температуру сгорания топлива и измерьте температуру холодильника (выхлопных газов) особым термометром. Переведите температуру, измеренную в градусах Цельсия в безусловную шкалу, для чего к значению прибавьте число 273. Для определения КПД от числа 1 отнимите отношение температур холодильника и нагревателя (температуру сгорания топлива) КПД =(1-Тхол/Тнаг) 100%. Данный вариант расчета КПД не рассматривает механическое трение и теплообмен с внешней средой.
3. Определение КПД электродвигателя Узнайте номинальную мощность электродвигателя , по технической документации. Подключите его к источнику тока, добившись максимальных циклов вала, и с подмогой тестера измерьте значение напряжения на нем и силу тока в цепи. Для определения КПД заявленную в документации мощность, поделите на произведение силы тока на напряжение, итог умножьте на 100% КПД =P 100%/(I U).
Видео по теме
Обратите внимание!
Во всех расчетах КПД должен быть поменьше 100%.
Для обзора обычной динамики населения социологам нужно определить всеобщие коэффициенты . Основными из них являются показатели рождаемости, смертности, брачности и натурального прихода. Опираясь на них, дозволено составить демографическую картину в данный момент времени.
Инструкция
1. Обратите внимание на то, что всеобщий показатель представляет собой относительный показатель. Так, число родившихся за определенный период, скажем, за год, будет отличаться от всеобщего показателя рождаемости. Связано это с тем, что при его нахождении учитываются данные об всеобщем числе населения. Это делает допустимым сопоставление текущих итогов изысканий с итогами прошлых лет.
2. Определите расчетный период. Скажем, дабы обнаружить показатель брачности, нужно определить, за какой временной период число заключенных браков вас волнует. Так, данные за последнее полугодие будут в существенной мере отличаться от тех, которые вы получите при определении пятилетнего временного промежутка. Рассматривайте, что расчетный период при вычислении всеобщего показателя указывается в годах.
3. Определите всеобщую количество населения. Сходственного рода данные дозволено получить, обратившись к данным переписи населения. Для определения всеобщих показателей рождаемости, смертности, брачности и разводимости вам потребуется обнаружить произведение всеобщей численности населения и расчетного периода. Получившееся число запишите в знаменатель.
4. Поставьте на место числителя безусловный показатель, соответствующий желанному относительному. Скажем, если перед вами стоит задача определить всеобщий показатель рождаемости, то на месте числителя должно находиться число, отражающее всеобщее число рожденных детей за волнующий вас период. Если вашей целью является определение яруса смертности либо брачности, то на место числителя поставьте число усопших в расчетный период либо число вступивших в брак, соответственно.
5. Умножьте получившееся число на 1000. Это и будет желанный вами всеобщий показатель. Если же перед вами стоит задача обнаружить всеобщий показатель прихода, то вычтите из показателя рождаемости показатель смертности.
Видео по теме
Под словом «работа» воспринимается раньше каждого действие, которая дает человеку средства к существованию. Иными словами, за нее он получает физическое вознаграждение. Тем не менее, люди готовы в свое свободное время либо даром, либо за чисто символическую плату участвовать также в социально-пригодной работе, направленной на поддержка нуждающимся, благоустройство дворов и улиц, озеленение и т.д. Число таких добровольцев наверно было бы еще огромным, но они нередко не знают, где могут потребоваться их службы.
Инструкция
1. Один из самых знаменитых видов социально-пригодной работы – благотворительность. Она включает в себя подмога нуждающимся, общественно незащищенным группам населения: инвалидам, престарелым, беспризорным. Словом, каждым тем, кто по какой-то причине оказался в тяжелой жизненной обстановки.
2. Добровольцам, желающим принять посильное участие в оказание такой помощи, следует обратиться в ближайшие филантропические организации либо отделы общественной помощи. Можете навести справки в ближайшей церкви – священнослужитель наверно знает, кто из его паствы исключительно нуждается в поддержке.
3. Также вы можете проявить инициативу дословно по месту жительства – в многоквартирном доме наверно живут одинокие пенсионерки, инвалиды либо матери-одиночки, у которых весь рубль на счету. Окажите им посильную подмога. Она совсем не неукоснительно должна заключаться в денежном пожертвовании – дозволено, скажем, время от времени ходить в магазин за продуктами либо в аптеку за лекарствами.
4. Много людей желает принять участие в благоустройстве родного города. Им стоит связаться с соответствующими конструкциями здешнего муниципалитета, скажем, теми, которые отвечают за уборку территорий, озеленение. Работа наверно найдется. Помимо того, дозволено, скажем, по собственной инициативе разбить клумбу под окнами дома, посадить цветы.
5. Есть люди, дюже любящие звериных, желающие подмогнуть безнадзорным собакам и кошкам. Если вы относитесь к этой категории, свяжитесь с местными организациями зоозащитников либо с обладателями пристанищ для звериных. Ну а если вы живете в огромном городе, где есть зоопарки, узнайте у администрации, не необходимы ли помощники по уходу за звериными. Как водится, такие предложения помощи встречают с благодарностью.
6. Невозможно забывать и о воспитании подрастающего поколения. Если энтузиаст-доброволец сумеет, скажем, вести занятия в каком-либо школьном кружке либо центре культуры и творчества, он принесет этим огромную пользу. Словом, социально-пригодной работы для неравнодушных людей найдется много, на всякий вкус и вероятности. Было бы желание.
Совет 7: Что такое показатель увлажнения и как его рассчитать
Показатель увлажнения – показатель, используемый для определения параметров микроклимата. Рассчитать его дозволено, имея информацию о выпадении осадков в регионе в течение довольно долгого периода.
Показатель увлажнения
Коэффициент увлажнения представляет собой особый показатель, разработанный экспертами в области метеорологии для оценки степени влажности микроклимата в том либо другом регионе. При этом было принято во внимание, что микроклимат представляет собой многолетнюю отзыв погодных условий в данной местности. Следственно рассматривать показатель увлажнения также было решено в долгих временных рамках: как водится, данный показатель рассчитывается на основе данных, собранных в течение года.Таким образом, показатель увлажнения показывает, насколько огромно число осадков, выпадающих в течение этого периода в рассматриваемом регионе. Это, в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих превалирующий тип растительности в этой местности.
Расчет показателя увлажнения
Формула расчета показателя увлажнения выглядит дальнейшим образом: K = R / E. В указанной формуле символом K обозначен собственно показатель увлажнения, а символом R – число осадков, вывалившихся в данной местности в течение года, выраженное в миллиметрах. Наконец, символом E обозначается число осадков, которое испарилось с поверхности земли, за тот же период времени. Указанное число осадков, которое также выражается в миллиметрах, зависит от типа почвы, температуры в данном регионе в определенный период времени и других факторов. Следственно невзирая на кажущуюся простоту приведенной формулы, расчет показателя увлажнения требует проведения большого числа заблаговременных измерений при помощи точных приборов и может быть осуществлен только силами довольно огромного коллектива метеорологов.В свою очередь, значение показателя увлажнения на определенной территории, рассматривающее все эти показатели, как водится, дозволяет с высокой степенью достоверности определить, какой тип растительности является преобладающим в этом регионе. Так, если показатель увлажнения превышает 1, это говорит о высоком ярусе влажности на данной территории, что влечет за собой преимущество таких типов растительности как тайга, тундра либо лесотундра. Довольный ярус влажности соответствует показателю увлажнения, равному 1, и, как водится, характеризуется преобладанием смешанных либо широколиственных лесов. Показатель увлажнения в пределах от 0,6 до 1 характерен для лесостепных массивов, от 0,3 до 0,6 – для степей, от 0,1 до 0,3 – для полупустынных территорий, а от 0 до 0,1 – для пустынь.
Видео по теме
В реальной действительности работа, совершаемая при помощи какого - либо устройства, всегда больше полезной работы, так как часть работы выполняется против сил трения, которые действуют внутри механизма и при перемещении его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, совершают дополнительную работу, поднимая сам блок и веревку и, преодолевая силы трения в блоке.
Введем следующие обозначения: полезную работу обозначим $A_p$, полную работу - $A_{poln}$. При этом имеем:
Определение
Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной. Обозначим КПД буквой $\eta $, тогда:
\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\ \left(2\right).\]
Чаще всего коэффициент полезного действия выражают в процентах, тогда его определением является формула:
\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\ \left(2\right).\]
При создании механизмов пытаются увеличить их КПД, но механизмов с коэффициентом полезного действия равным единице (а тем более больше единицы) не существует.
И так, коэффициент полезного действия - это физическая величина, которая показывает долю, которую полезная работа составляет от всей произведенной работы. При помощи КПД оценивают эффективность устройства (механизма, системы), преобразующей или передающей энергию, совершающего работу.
Для увеличения КПД механизмов можно пытаться уменьшать трение в их осях, их массу. Если трением можно пренебречь, масса механизма существенно меньше, чем масса, например, груза, который поднимает механизм, то КПД получается немного меньше единицы. Тогда произведенная работа примерно равна полезной работе:
Золотое правило механики
Необходимо помнить, что выигрыша в работе, используя простой механизм добиться нельзя.
Выразим каждую из работ в формуле (3) как произведение соответствующей силы на путь, пройденный под воздействием этой силы, тогда формулу (3) преобразуем к виду:
Выражение (4) показывает, что используя простой механизм, мы выигрываем в силе столько же, сколько проигрываем в пути. Данный закон называют «золотым правилом» механики. Это правило сформулировал в древней Греции Герон Александрийский.
Это правило не учитывает работу по преодолению сил трения, поэтому является приближенным.
КПД при передаче энергии
Коэффициент полезного действия можно определить как отношение полезной работы к затраченной на ее выполнение энергии ($Q$):
\[\eta =\frac{A_p}{Q}\cdot 100\%\ \left(5\right).\]
Для вычисления коэффициента полезного действия теплового двигателя применяют следующую формулу:
\[\eta =\frac{Q_n-Q_{ch}}{Q_n}\left(6\right),\]
где $Q_n$ - количество теплоты, полученное от нагревателя; $Q_{ch}$ - количество теплоты переданное холодильнику.
КПД идеальной тепловой машины, которая работает по циклу Карно равно:
\[\eta =\frac{T_n-T_{ch}}{T_n}\left(7\right),\]
где $T_n$ - температура нагревателя; $T_{ch}$ - температура холодильника.
Примеры задач на коэффициент полезного действия
Пример 1
Задание. Двигатель подъемного крана имеет мощность $N$. За отрезок времени равный $\Delta t$ он поднял груз массой $m$ на высоту $h$. Каким является КПД крана?\textit{}
Решение. Полезная работа в рассматриваемой задаче равна работе по подъему тела на высоту $h$ груза массы $m$, это работа по преодолению силы тяжести. Она равна:
Полную работу, которая выполняется при поднятии груза, найдем, используя определение мощности:
Воспользуемся определением коэффициента полезного действия для его нахождения:
\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\left(1.3\right).\]
Формулу (1.3) преобразуем, используя выражения (1.1) и (1.2):
\[\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%.\]
Ответ. $\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%$
Пример 2
Задание. Идеальный газ выполняет цикл Карно, при этом КПД цикла равно $\eta $. Какова работа в цикле сжатия газа при постоянной температуре? Работа газа при расширении равна $A_0$
Решение. Коэффициент полезного действия цикла определим как:
\[\eta =\frac{A_p}{Q}\left(2.1\right).\]
Рассмотрим цикл Карно, определим, в каких процессах тепло подводят (это будет $Q$).
Так как цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, можно сразу сказать, что в адиабатных процессах (процессы 2-3 и 4-1) теплообмена нет. В изотермическом процессе 1-2 тепло подводят (рис.1 $Q_1$), в изотермическом процессе 3-4 тепло отводят ($Q_2$). Получается, что в выражении (2.1) $Q=Q_1$. Мы знаем, что количество теплоты (первое начало термодинамики), подводимое системе при изотермическом процессе идет полностью на выполнение газом работы, значит:
Газ совершает полезную работу, которую равна:
Количество теплоты, которое отводят в изотермическом процессе 3-4 равно работе сжатия (работа отрицательна) (так как T=const, то $Q_2=-A_{34}$). В результате имеем:
Преобразуем формулу (2.1) учитывая результаты (2.2) - (2.4):
\[\eta =\frac{A_{12}+A_{34}}{A_{12}}\to A_{12}\eta =A_{12}+A_{34}\to A_{34}=(\eta -1)A_{12}\left(2.4\right).\]
Так как по условию $A_{12}=A_0,\ $окончательно получаем:
Ответ. $A_{34}=\left(\eta -1\right)A_0$
Коэффициент полезного действия (КПД) котельного агрегата определяют как отношение полезной теплоты, пошедшей на выработку пара (или горячей воды), к располагаемой теплоте (теплоте, поступившей в котельный агрегат). На практике не вся полезная теплота, выбранная котлоагрегатом, направляется потребителям. Часть теплоты расходуется на собственные нужды. В зависимости от этого различают КПД агрегата по теплоте, отпущенной потребителю (КПД нетто).
Разность выработанной и отпущенной теплоты представляет собой расход на собственные нужды котельной. На собственные нужды расходуется не только теплота, но и электрическая энергия (например, на привод дымососа, вентилятора, питательных насосов, механизмов топливоподачи и пылеприготовления и т.д.), поэтому расход на собственные нужды включает в себя расход всех видов энергии, затраченных на производство пара или горячей воды.
КПД брутто котельного агрегата характеризует степень его технического совершенства, а КПД нетто - коммерческую экономичность.
КПД брутто котельного агрегата ŋ бр , %, можно определить по уравнению прямого баланса
ŋ бр = 100(Q пол /Q р р)
или по уравнению обратного баланса
ŋ бр = 100-(q у.г +q х.н +q м.н +q н.о +q ф.ш) ,
где Q пол полезно используемая теплота, затраченная на выработку пара (или горячей воды); Q р р - располагаемая котельным агрегатом теплота; q у.г +q х.н +q м.н +q н.о +q ф.ш - относительные потери теплоты по статьям расхода теплоты.
КПД нетто по уравнению обратного баланса определяется как разность
ŋ нетто = ŋ бр -q с.н,
где q с.н - относительный расход энергии на собственные нужды, %.
КПД по уравнению прямого баланса применяется преимущественно при составлении отчетности за отдельный период (декада, месяц), а КПД по уравнению обратного баланса - при испытании котельных агрегатов. Определение КПД по обратному балансу значительно точнее, так как погрешности при измерении потерь теплоты меньше, чем при определении расхода топлива, особенно при сжигании твердого топлива.
Таким образом, для повышения эффективности котельных агрегатов недостаточно стремиться к снижению тепловых потерь; необходимо также всемерно сокращать расходы тепловой и электрической энергии на собственные нужды. Поэтому сравнение экономичности работы различных котельных агрегатов в конечном счете следует проводить по их КПД нетто.
В целом КПД котельного агрегата изменяется в зависимости от его нагрузки. Для построения этой зависимости нужно от 100% вычесть последовательно все потери котельного агрегата S q пот = q у.г +q х.н +q м.н +q н.о , которые зависят от нагрузки.
Как видно из рисунка 1.14, КПД котельного агрегата при определенной нагрузке имеет максимальное значение, т. е. работа котла на этой нагрузке наиболее экономична.
Рисунок 1.14 - Зависимость КПД котла от его нагрузки: q у.г, q х.н , q м.н, q н.о, S q пот - потери теплоты с уходящими газами, от химической неполноты сгорания, от механической неполноты сгорания, от наружного охлаждения и суммарные потери
Как известно, на данный момент еще не созданы такие механизмы, которые бы до конца превращали один вид энергии в другой. В процессе работы любой рукотворный прибор расходует часть энергии на сопротивление сил либо же впустую ее рассеивает в окружающую среду. То же самое происходит и в замкнутой электроцепи. Когда заряды протекают по проводникам, осуществляется сопротивление полной и полезной нагрузки работы электричества. Чтобы сопоставить их соотношения, потребуется произвести коэффициент полезного действия (КПД).
Для чего нужен расчет КПД
Коэффициент полезного действия электрической цепи – это отношение полезного тепла к полному.
Для ясности приведем пример. При нахождении КПД двигателя можно определить, оправдывает ли его основная функция работы затраты потребляемого электричества. То есть его расчет даст ясную картину, насколько хорошо устройство преобразовывает получаемую энергию.
Обратите внимание! Как правило, коэффициент полезного действия не имеет величины, а представляет собой процентное соотношение либо числовой эквивалент от 0 до 1.
КПД находят по общей формуле вычисления, для всех устройств в целом. Но чтобы получить его результат в электрической цепи, вначале потребуется найти силу электричества.
Нахождения тока в полной цепи
По физике известно, что любой генератор тока имеет свое сопротивление, которое еще принято называть внутренняя мощность. Помимо этого значения, источник электричества также имеет свою силу.
Дадим значения каждому элементу цепи:
- сопротивление – r;
- сила тока – Е;
Итак, чтобы найти силу тока, обозначение которого будет – I, и напряжение на резисторе – U, потребуется время – t, с прохождением заряда q = lt.
В связи с тем, что сила электричества постоянна, работа генератора целиком преобразуется в тепло, выделяемое на R и r. Такое количество можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца:
Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.
Затем приравниваются правые части формулы:
EIt = I2 (R + r) t.
Осуществив сокращение, получается расчет:
Произведя у формулы перестановку, в итоге получается:
Данное итоговое значение будет являться электрической силой в данном устройстве.
Произведя таким образом предварительный расчет, теперь можно определить КПД.
Расчет КПД электрической цепи
Мощность, получаемая от источника тока, называется потребляемой, определение ее записывается – P1. Если эта физическая величина переходит от генератора в полную цепь, она считается полезной и записывается – Р2.
Чтобы определить КПД цепи, необходимо вспомнить закон сохранения энергии. В соответствии с ним, мощность приемника Р2 будет всегда меньше потребляемой мощности Р1. Это объясняется тем, что в процессе работы в приемнике всегда происходит неизбежная пустая трата преобразуемой энергии, которая расходуется на нагревание проводов, их оболочки, вихревых токов и т.д.
Чтобы найти оценку свойств превращения энергии, необходим КПД, который будет равен отношению мощностей Р2 и Р1.
Итак, зная все значения показателей, составляющих электроцепи, находим ее полезную и полную работу:
- А полезная. = qU = IUt =I2Rt;
- А полная = qE = IEt = I2(R+r)t.
В соответствии этих значений, найдем мощности источника тока:
- Р2 = А полезная /t = IU = I2 R;
- P1 = А полная /t = IE = I2 (R + r).
Произведя все действия, получаем формулу КПД:
n = А полезная / А полная = Р2 / P1 =U / E = R / (R +r).
У этой формулы получается, что R выше бесконечности, а n выше 1, но при всем этом ток в цепи остается в низком положении, и его полезная мощность мала.
Каждый желает найти КПД повышенного значения. Для этого необходимо найти условия, при которых P2 будет максимален. Оптимальные значения будут:
- P2 = I2 R = (E / R + r)2 R;
- dP2 / dR = (E2 (R + r)2 — 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0;
- E2 ((R + r) -2R) = 0.
В данном выражении Е и (R + r) не равны 0, следовательно, ему равно выражение в скобках, то есть (r = R). Тогда получается, что мощность имеет максимальное значение, а коэффициент полезного действия = 50 %.
Потенциальный КПД двигателя Стирлинга выше, чем у других сравниваемых с ним двигателей, однако на совершенствование двигателей с разомкнутым циклом было затрачено значительно больше усилий. Результаты сравнения различных двигателей по их КПД не имеют большого распространения, поскольку, как уже отмечалось ранее, изготовители автомобилей и те, кто эксплуатируют стационарные установки, как правило, предпочитают сравнивать двигатели по удельному эффективному расходу топлива. Хотя этот параметр прямо связан с КПД,
I - предельные КПД двигателя Стирлинга; 2-предел прочности Материала; 3 - предельные КПД двигателя с принудительным зажиганием; 4- потенциально достижимые КПД Двигателя Стирлинга; 5 - двигатели внутреннего сгорания; 6 - паровая Машина; 7- двигатель Стирлинга.
Тем не менее полезно рассмотреть и результаты измерения непосредственно КПД. Прекрасной иллюстрацией достигнутых в настоящее время рабочих характеристик двигателей и потенциальных значений их КПД является график, составленный в работе и представленный на рис. 1.110 в несколько измененном виде.
Достигнутые к настоящему значения КПД экспериментальных двигателей Стирлинга показаны на рис. 1.111.
КПД ЦИКЛЭ Карно, %
Рис. 1.111. Реальные КПД экспериментальных двигателей Стирлинга по данным НАСА, Rpt CR-I59 63I, перестроенным авторами.
1 - данные фирмы «Дженерал моторе»; 2 - данные фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Швеция); 3 - данные фирм «Форд» и «Филипс».
Б. Удельный эффективный расход топлива
Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и обобщить больше информации о различии в рабочих характеристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность результатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа. Необходимо заметить, что большое количество результатов, относящихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометрических стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые данные получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладающих достаточной степенью достоверности. Результаты испытаний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной степенью точности с расчетными данными, однако намечали пути реализации потенциальных возможностей двигателя. Удельные эффективные расходы топлива различных энергосиловых установок, предназначенных для использования в качестве автомобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112 .
На этом графике наглядно видны преимущества двигателя Стирлинга во всем диапазоне рабочих режимов. Поскольку удельный эффективный расход топлива рассматривается и как функция скорости, и как функция нагрузки, то на рис. 1.113 и 1.114 приведены соответствующие кривые для полного диапазона рабочих скоростей при 50 и 20 % полной нагрузки соответственно.
Преимущества двигателя Стирлинга весьма наглядны и в этом случае. Исходные данные для этих обобщающих графиков
1-дизель с нормальной системой впуска; 2 - дизель с турбонаддувом; 3-бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным аарядом; 4-одновальная газовая турбина; 5-двухвальнан газовая турбина; 6 - двигатель Стирлинга.
X * ^ с
■е-ь в -0.2
J____ I___ I___ L
Спорость/Максимальная скорость
Рис. 1.113. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 50 % нагрузки .
1-одновальная газовая турбина; 2-двухвальная газовая турбина; 3 - дизель с турбонаддувом; 4-бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 5-двигатель Стирлинга.
Были взяты из работы . Поскольку цены на топливо продолжают повышаться, удельный эффективный расход становится все более определяющей характеристикой, и, хотя не прекращаются активный поиск и исследования по другим источникам энергии, нет сомнения, что в обозримом будущем углеводородные топлива останутся основным ее источником. Более того,
Даже в условиях астрономического роста цен снижение потребления топлива будет незначительным. Опыт стран Запада показывает, что с начала нефтяного кризиса в 70-х годах цены на нефть оказывали незначительное влияние на потребление топлива. Исследование, опубликованное в 1980 г. министерством энергетики США, показало, что при повышении цен на топливо даже на 100 % потребление топлива уменьшится только на
II %. Если на потребление топлива не слишком сильно влияют экономические факторы, то маловероятно, что оно понизится, уступая политическому давлению. Влияние официальных регламентации, направленных на экономию топлива, также проблематично.
Очевидно, что снижение удельного эффективного расхода топлива может способствовать уменьшению потребления топлива, поскольку уменьшение расхода топлива на 10 % позволило бы сэкономить, например, для США свыше 305 млн. л импортируемой сырой нефти в сутки, что соответствует экономии свыше 5 млрд. долл. в год. Однако в целом это очень небольшая экономия. Поэтому, хотя снижение удельного эффективного расхода топлива является важным, оно не дает решения проблемы энергии для большинства стран. Источники энергии, заменяющие жидкие углеводороды, могут дать более ощутимый эффект в обозримом будущем, и проблемы, связанные с этим вопросом, будут рассмотрены позже. Кроме того, необходимо отметить, что доступность энергии имеет такое же существенное значение, как и ее стоимость.
В. Развиваемая мощность
Обоснованное сравнение по этому показателю может быть сделано только на основе отношения массы к развиваемой мощности, и сравниваемые двигатели должны быть предназначены для одной и той же области применения. Далее необходимо сравнивать значения отношения массы всей энергосиловой установки к развиваемой мощности. Энергосиловая установка, предназначенная для использования на автомобиле, будет включать агрегаты трансмиссии, аккумуляторные батареи, систему охлаждения и т. д. Для двигателей, отобранных для сравнения, эти данные представлены на рис. 1.115 и 1.116.
В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стирлинга не обладает явными преимуществами, однако необходимо учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения мощности к массе, что и отразилось на представленных результатах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации имеются большие возможности, с другой стороны, было бы неверно утверждать, что достигнутые результаты - предел. При выполнении программы разработки двигателей в США, по которой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производства, предпринимаются большие усилия по снижению массы двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двигатели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не должны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем существующие автомобильные двигатели.
Еще один фактор, который необходимо принять во внимание,- это размеры двигателя данной мощности. Этот фактор важен не только с точки зрения компактности, но, например, при установке на судне с точки зрения потери полезного объема трюмов. Установлено, что двигатель Стирлинга занимает
Рис. 1.115. Соотношение между массой двигателя и развиваемой им мощностью для энергосиловых установок различных типов .
1- дизель с нормальной системой впуска;
2- двигатель Стирлинга; 3-дизель с турбо - наддувом; 4 - бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слоистым зарядом; 5 - бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 6 - двухвальная газовая турбина; 7- одновальная газовая турбина.
Рис. 1.116. Соотношение между массой установки и развиваемой ею мощностью для энергосиловых установок различных типов .
1 - дизель с нормальной системой впуска; 2 - двигатель Стирлинга; 3 - дизель с турбо - наддувом; 4 -бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем и слоистым зарядом; Г» -бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем н гомогенным зарядом; 6-роторный двигатель с принудительным зажиганнем; 7-двухвальная газовая турбина; 8 - одно - иальная газовая турбина.
Примерно такое же пространство, что и эквивалентный дизель . Более свежие данные позволяют составить сводную таблицу значений отношения мощности к занимаемому объему для разных двигателей мощностью 78-126 кВт (табл. 1.8).
Таблица 1.8. Отношение мощности двигателя Р к объему V, Занимаемому энергосиловой установкой |
Из таблицы следует, что двигатели с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом все еще превосходят по этому показателю все другие двигатели, однако перспективные двигатели со слоистым зарядом не будут иметь такого неоспоримого преимущества, как двигатели с гомогенным зарядом. Если в двигателях Стирлинга и газовых турбинах найдут применение керамические компоненты, то ситуация может резко измениться. При современном уровне технического прогресса двигатель Стирлинга в целом превосходит дизельные двигатели.
Изменения крутящего момента двигателя Стирлинга в зависимости от скорости и давления уже рассматривались ранее в сравнении с другими энергосиловыми установками. При использовании этого двигателя на автомобиле особенности его характеристик крутящий момент - скорость особенно благоприятны с точки зрения эффективного ускорения автомобиля и способствуют упрощению и удешевлению агрегатов трансмиссии. Однако для полноты картины необходимо сказать несколько слов о циклических колебаниях крутящего момента. В литературе сообщается, что двигатель Стирлинга отличается более плавными изменениями крутящего момента по сравнению с другими двигателями возвратно-поступательного действия. «Плавный» означает, по-видимому, что изменения крутящего момента с изменением угла поворота кривошипа этого двигателя сравнительно малы. Мы намеренно употребили слово «по-видимому», посколь
ку, когда спрашивают, что в точности означает термин «плавный», мы не в состоянии дать однозначного определения. Этот вопрос подробно рассматривается в гл. 2. Здесь достаточно будет отметить, что изменения крутящего момента в зависимости от угла поворота кривошипа у многоцилиндрового двигателя Стирлинга меньше, чем, например, у двигателя с принудительным зажиганием (рис. 1.117).
Меньшие колебания крутящего момента означают также, что колебания угловой скорости у двигателя Стирлинга также существенно меньше, чем у других двигателей. Это утверждение относится, разумеется, к двигателям без маховиков. Практически это означает, что двигатели Стирлинга можно комплектовать менее массивным маховиком и что пуск двигателя Стирлинга требует меньших механических усилий. Далее, благодаря малым циклическим колебаниям момента и скорости вращения двигатели Стирлинга могут оказаться более подходящими для автономных электрогенераторов.
Эти утверждения, однако, нуждаются в проверке, поскольку, хотя отношение пикового крутящего момента е< его среднему значению у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноцилиндрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового двухтактного дизеля, и наполовину меньше, чем у четырехцилиндрового четырехтактного дизеля.
Оценка стоимости всегда затруднительна, а ее прогноз с учетом будущих разработок весьма неточен. Однако несомненно, что такая оценка необходима для сравнения альтернативных двигателей, если при этом учитывать наиболее дорогостоящие компоненты. Стоимость двигателя Стирлинга приблизительно в 1,5-15 раз выше, чем эквивалентного дизеля. Такая оценка сделана на основе технической литературы; она приводилась на технических конференциях и совещаниях. На первый взгляд эта оценка кажется необоснованной, но, скорее всего.
Она верна, и это станет ясно из дальнейшего изложения. Бездоказательные утверждения о предполагаемой стоимости, как правило, не имеют смысла, но, к сожалению, такие утверждения делаются во многих публикациях. Однако в настоящее время благодаря программам, выполняемым по заказу министерства энергетики США, стали доступными результаты более подробных исследований в этой области.
Стоимость может определяться различными факторами, из которых основными являются:
1) затраты труда;
2) материалы;
3) капитальное оборудование;
4) производственное оборудование;
5) эксплуатация и техническое обслуживание;
6) разработка конструкции.
Этот список ни в коей мере не является исчерпывающим. Многие составляющие стоимости непосредственно зависят от массовости производства. Хотя это и очевидно, не мешает еще раз повторить это утверждение, поскольку подобным аспектом оценки стоимости пренебрегают во многих публикациях. Зависимость экономики от масштабов выпуска продукции может означать, что двигатель одного типа дороже другого при мелкосерийном выпуске, но дешевле при увеличении объема продукции. Необходимо принимать во внимание и область применения двигателя. Например, стоимость автомобильного двигателя составляет только небольшую часть общей стоимости автомобиля, поэтому при сравнении стоимости различных двигателей необходимо учитывать, что существенное различие в стоимости двигателей может и не повлиять заметно на стоимость автомобиля при установке этих двигателей. Эту особенность можно проиллюстрировать простым расчетом. Если принять для примера, что стоимость двигателя составляет 10 % общей стоимости автомобиля, то при стоимости автомобиля 6000 долл. двигатель будет стоить 600 долл. Предположим, что другой двигатель вдвое дороже, т. е. стоит 1200 долл.; тогда полная стоимость автомобиля будет 6600 долл., т. е. только на 10 % выше, и покупатель, возможно, предпочтет уплатить немного большую цену за более подходящий для него автомобиль.
Прежде чем рассматривать стоимость и издержки в условиях промышленного производства, нам хотелось бы на основе собственного опыта рассмотреть эволющию стоимости при создании или покупке опытного образца двигателя Стирлинга или двигателя этого типа, предназначенного для исследовательских целей. Мощность таких двигателей будем считать ограниченной значением 100 кВт. Цена такого двигателя при покупке с учетом уровня цен 1981 г. будет около 6700 долл./кВт. Одна - I о, если двигатель построен той же организацией, которая будет его использовать, или изготовлен сторонней организацией по детально разработанной документации и с помощью машинного проектирования, его стоимость будет заключаться в пределах;Ю00-3500 долл./кВт. По мере того как двигатель Стирлинга будет становиться более массовым и менее «исследовательским», его стоимость будет резко падать. Один из изготовителей небольших двигателей Стирлинга (менее 1 кВт) считает, что при производстве 1000 таких двигателей в год стоимость одного двигателя по сравнению с его стоимостью при индивидуальном изготовлении может уменьшиться в 30 раз.
Такая зависимость стоимости от масштабов производства подтверждается недавними исследованиями ряда двигателей, работающих на солнечной энергии, выполненными Лабораторией реактивных двигателей (США) . Было проведено сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины в модификациях, рассчитанных на использование солнечной энергии. Газовая турбина была специально сконструирована фирмой «Гарретт», а двигатель Стирлинга был взят из серии, выпускаемой фирмой «Юнайтед Стерлинг». Результаты проведенных исследований, приведенные к уровню цен и обменному курсу валюты 1981 г., приведены в табл. 1.9.
Таблица 1.9. Зависимость стоимости от объема выпуска (сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины)
Суммарная удельная стоимость, долл./кВг
Суммарная удельная стоимость включает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, затрат^ на капитальное оборудование и инструмент. Влияние, оказываемое на стоимость объемом производства, хорошо видно из представленных данных. Суммарная удельная стоимость газовой турбины с увеличением объема выпуска уменьшается в 3 раза, в то время как тот же показатель двигателя Стирлинга уменьшается более чем в 6 раз. При малом объеме выпуска двигатель Стирлинга более чем на 50 % дороже газовой турбины, а при годовом выпуске 400 000 двигателей - на 30 % дешевле. Для рассматриваемых целей объем выпуска 400 000 двигателей в год представляется несколько завышенным, однако для автомобильных двигателей такой объем можно считать обычной нормой .
Потенциальные изготовители двигателей Стирлинга в большей степени заинтересуются предполагаемой стоимостью этих двигателей, предназначенных для использования на автомобилях. Стоимость изготовления, приведенная в табл. 1.10, учиты-
Таблица 1.10. Стоимость изготовления автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.) |
Вает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, капитального оборудования и инструмента и во многом аналогична по своей структуре стоимости, подсчитанной для солнечных двигателей. Однако в автомобильном варианте двигатели имеют более развитую конструкцию, чем в варианте солнечного двигателя. Для двигателя Стирлинга и для газовой турбины в отличие от обычных двигателей требуются различные специальные материалы. Разумеется, это в значительной степени вопрос снабжения и конъюнктуры, так что если бы двигатель Стирлинга или газовая турбина были бы «обычными» двигателями, то материалы для них могли бы иметь меньшую стоимость, поскольку горнодобывающая промышленность и сталеплавильная промышленность были бы ориентированы на производство этих материалов, а материалы для производства двигателей с принудительным зажиганием и дизелей стали бы «специальными». Более того, специальные материалы часто требуют соответствующего специального производственного оборудования, что способствует добавочному росту стоимости. С учетом применяемых в настоящее время в автомобильной промышленности материалов и производственного оборудования следует ожидать, что с точки зрения стоимости обычные двигатели будут предпочтительнее. Чтобы прояснить этот аспект формирования стоимости изготовления, в табл. 1.10 приведены стоимости двигателей двух значений мощности (75 и 112 кВт) и указаны также процентные доли общей стоимости, приходящиеся на материал и производственное оборудование.
Потребители двигателей интересуются продажными ценами, а не стоимостью изготовления, что и не удивительно. Поэтому в табл. 1.11 представлены продажные цены автомобильных двигателей при годовом выпуске на уровне 400 ООО шт. Там же указана разница в цене по сравнению с обычным бензиновым двигателем с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом (ГЗБ).
Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт Таблица 1.11. Продажная цена автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)
|
С точки зрения стоимости изготовления и продажной цены двигатели Стирлинга дороже других двигателей, хотя при благоприятных для них объеме выпуска и области применения они могут стать экономически более выгодными, чем их конкуренты. Однако совершенно ясно, что с увеличением мощности двигателей Стирлинга и объема их производства они станут с экономической точки зрения все более конкурентоспособными. Взаимосвязь между составляющими стоимости, рассмотренными в настоящем разделе, показана на рис. 1.118.
Распределение суммарной стоимости двигателя Стирлинга с косой шайбой фирмы «Форд» по элементам конструкции, составляющим энергосиловую установку, приведено в табл. 1.12 для годового объема выпуска 400 000 шт. .
Наибольшую относительную стоимость имеют теплообменники, и фирма искала возможности снизить ее приблизительно до 17 % за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления , пока ее программа совершенствования двигателей Стирлинга не прекратила свое существование.
Даже если для двигателя Стирлинга будут применяться менее дорогие материалы и будет достигнут соответствующий объем производства, то и в этом случае вряд ли двигатель Стирлинга будет дешевле, чем, скажем, двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом. Однако, как уже говорилось выше, потребитель, возможно, будет готов пойти на дополнительные расходы ради преимуществ, которые будут связаны с этим двигателем. Если удастся реализовать потенциальные возможности двигателя по экономии топлива и смазочного масла и увеличению установленной долговечности, то снижение стоимости эксплуатации двигателя Стирлинга может повлечь за собой экономию суммарных затрат на приобретение и эксплу-
атацню двигателя, что на потребителя должно произвести большее впечатление, чем соображения охраны окружающей среды и преобразования энергии. Особое внимание на такую экономию должны обратить в Западной Европе, где «экономичные» автомобили с низким расходом топлива становятся все более популярными, хотя первоначальная стоимость таких автомобилей ненамного меньше, чем более роскошных, но менее экономич-
Ных автомобилей. Интересно, что на рынке подержанных автомобилей «экономичный» автомобиль перепродается часто по более высокой цене, чем его «собратья» более высокого класса. Расчет общей рентабельности, которой можно ожидать от двигателя Стирлинга, был выполнен фирмой «Юнайтед Стерлинг» для случая установки двигателя на грузовой автомобиль . Опубликованные данные относятся к уровню цен 1973 г., однако последовавший катастрофический рост инфляции и рост в геометрической прогрессии цен на топливо и смазочные материалы затрудняют перевод полученных результатов к уровню цен 1981 г., в то же время публикация здесь расчетов стоимости на уровне 1973 г. вряд ли целесообразна.
Коэффициент экономической рентабельности (КЭР) вычислялся по следующей формуле:
(Разность стоимостей____ /Разность первоначальныхЧ
__ Эксплуатации / V ___________________ Стоимостей _______)
При этом разности определяются между соответствующими показателями двигателя Стирлинга и эквивалентного дизеля.
Из результатов, полученных фирмой «Юнайтед Стирлинг» и скорректированных авторами (рис. 1.119), следует, что при эксплуатационном пробеге 16 000 км в год КЭР = 0 после 4,1 года эксплуатации; иными словами, за этот период меньшие затраты на эксплуатацию двигателя Стирлинга по сравнению с дизелем уравновесят его большую первоначальную стоимость, а через 5,7 года КЭР достигнет значения 0,5, т. е. будет получена экономия, равная половине разности первоначальных капитало-
Вложений. При годовом пробеге 100 000 км - среднем для Европы при международных автомобильных перевозках - первоначальные дополнительные капиталовложения окупятся через 2-3 месяца эксплуатации. Эти результаты получены для одиночного автомобиля. Аналогичный расчет, проведенный для автоколонны, дал бы еще более благоприятные результаты. Даже такой краткий обзор вопросов, связанных со стоимостью двигателей Стирлинга, позволяет сделать обоснованный вывод, что этот двигатель, хотя и имеет большую стоимость изготовления, зато потенциально менее дорог в эксплуатации. При дальнейшем повышении стоимости нефтепродуктов и затруднениях в их приобретении преимущества двигателя Стирлинга могут стать еще более ощутимыми.
Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых различных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале будущего столетия основным источником энергии для наземного транспорта останутся углеводородные топлива. Это не означает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать из существующих источников и что они сохранят современный вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны дополнительные экономические выгоды за счет способности двигателя Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга мы рассмотрим возможности использования альтернативных углеводородных топлив.
Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с технологичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; составляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлинга - использование высоколегированных сплавов для изготовления теплообменников. Конструкция теплообменников предусматривает применение весьма дорогой технологии пайки и дорогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных швов весьма значительна . Допуски на обработанные поверхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабочего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга качество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы двигателя.
Сборка основных механических компонентов двигателя Стирлинга должна производиться с большой тщательностью, особенно сборка уплотняющих устройств. Любая неточность сборки поведет к поломке двигателя. Уплотнение типа «скатывающийся чулок» особенно чувствительно к небрежностям сборки, и при установке такого тонкого и хрупкого уплотнения требуется особая чистота места сборки.
Таблица 1.13. Время, затрачиваемое на изготовление двигателя (распределение по видам работ)
|
На изготовление двигателя Стирлинга затрачивается приблизительно такое же время, как и на изготовление других двигателей, однако квалификация персонала должна быть выше по упомянутым выше причинам. Хотя время, затрачиваемое при сборке, возможно, и такое же, как при сборке других двигателей, распределение этого времени по отдельным операциям будет иным, и, разумеется, это может повлиять на общую стоимость. Соображения, высказанные в этом кратком обсуждении, подтверждаются данными, приведенными в табл. 1.13 и 1.14. Суммарное время, затрачиваемое на изготовление одного двигателя, принято равным 10 ч независимо от типа двигателя.
Из таблиц следует, что, хотя на литье деталей двигателя Стирлинга требуется столько же времени, сколько на литье деталей двигателя с принудительным зажиганием, стоимость литейного оборудования для первого двигателя в два раза выше. Исходя из этого, следует ожидать высоких первоначальных капиталовложений, требуемых для строительства заводов двигателей Стирлинга, и это, вероятно, объясняет сдержанность изготовителей двигателей при решении вопроса о широкой производственной программе: они ожидают момента, когда отпадут все сомнения в том, что этот двигатель сможет реализовать свои потенциальные преимущества. Причины, по которым стоимость 1 кВт, развиваемого опытным двигателем Стирлинга индивидуального изготовления, весьма высока, также вполне понятны.
Ж. Альтернативные источники энергии
Происшедший энергетический кризис касался только одного источника энергии - сырой нефти и жидких углеводородных топлив, получаемых из нее. За последнее десятилетие (1971- 1981 гг.) результатом кризиса были возрастание в геометрической прогрессии цен на топливо, а также трудность сохранения гарантированных поставок топлива. Однако необходимо помнить, что наша планета не располагает неограниченными резервами сырой нефти, хотя пройдет немало лет, прежде чем имеющиеся резервы истощатся настолько, что это окажет заметное глобальное воздействие. Кризис усугубился неравномерным распределением нефти по регионам, так что в настоящее время весьма мало стран, которые сами обеспечивают свои потребности в нефти, и совсем немного стран, которые располагают таким количеством, нефти, что имеют большие ее излишки. Большинство стран вынуждено импортировать часть или даже все необходимое им углеводородное топливо, на что уходит значительная сумма иностранной валюты. К 1980 г. 44,6 % мирового потребления энергии будет удовлетворяться за счет сырой нефти , и это число показывает чудовищную трудность проблемы, которую предстоит решить.
Структура потребления энергии различна в разных странах, однако в качестве примера мы взяли структуру потребления в США, поскольку США потребляет больше энергии, чем любая другая страна. Структура потребления на 1977 г. дана в табл. 1.15 .
Потребление жидких углеводородов в США аналогично общемировому и составляет 48,8 % общего потребления энергии, что соответствует 795 млн. т/год; 54,5 % этого топлива расходуется на нужды транспорта. США приходится импортировать 50 % требуемого им количества нефти, что составляет около 375 млн. т/год и приводит к затрате многих миллиардов долларов. Естественно, такие затраты побуждают поиск альтерна-
Тивных топлив. Однако замена жидких углеводородов в качестве источников энергии представляет собой труднейшую задачу и потребует многих лет интенсивных исследований и разработок. Решению задачи может помочь использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, однако развитие этих источников в настоящее время показывает, что в целом они не будут иметь большого значения по меньшей мере до начала будущего столетия. Атомные электростанции и гидроэлектростанции будут, как предсказывают, к 1990 г. удовлетворять около 15 % энергопотребления. Это означает, что на долю нефти останется около 40 % мирового потребления энергии. Однако все эти альтернативные источники окажут незначительное влияние (или вообще его не окажут) на расход нефти на транспорте, если только не увеличится перевозка грузов по железным дорогам и не будет осуществлена полная электрификация железных дорог. Даже в этом случае проблема снабжения топливом безрельсового пассажирского и грузового транспорта остается. Очевидно, имеются три возможных варианта:
1) использование иных, чем нефть, ископаемых топливных ресурсов;
2) использование углеводородов с меньшей степенью очистки;
3) использование синтетических жидких углеводородов.
Вариант 1 связан с многочисленными трудностями, среди которых не последнее место занимает обеспечение энергетического эквивалента 795 млн. т нефти, составляющего 4-1018 Дж. Для обеспечения этого эквивалента необходимы нереально быстрые темпы развития индустрии твердого и газообразного ископаемого топлива. В ближайшем будущем возможно увеличение производства этих топлив на существующих предприятиях, и, хотя это поможет решению проблемы, возникнет другая проблема - как использовать эти виды топлива на современных двигателях.
Для энергосиловых установок с внешним подводом тепла, таких, как двигатели Стирлинга и паровые машины, это не составило бы трудностей. Проблему в основном можно решить и для мощной стационарной газовой турбины. Другие рассматриваемые двигатели не так легко приспособить к альтернативным топливам, что видно из табл. 1.16 , где знак X обозначает возможность использования данного топлива, знак ОХ - проблематичную возможность такого использования, а прочерк означает, что топливо не может быть использовано.
Таблица 1.16. Приспособленность двигателей к различным видам топлива
Авиационная
Вид топлива ГЗБ СЗБ газовая Дизель
На основе угля
TOC o "1-3" h z Смесь угольной пыли и остат - - - - ОХ
Ков перегонки нефти
Смесь угольной пыли и метанола - - - ОХ
Жидкое топливо на основе угля
Бензин XX - -
Смесь дизельного топлива и - X - X
Топлива для реактивной авиации
Тяжелое топливо (мазут) - - X
Жидкое топливо из сланцев
Бензин XX - X
Смесь дизельного топлива и - X - X топлива для реактивной авиации
Топливо на основе нефтеоргани - - X XX ческих отходов
Метанол XX XX
Водород XX XX
Метан XX XX
Данные табл. 1.16 свидетельствуют, что ситуация не слишком обнадеживающая, и похоже, что времени для улучшения ситуации в случае варианта 1 не так уж много.
Вариант 2 получил определенную поддержку в популярной прессе, однако октановое и цетановое числа таких углеводородов недостаточны для надежной работы существующих двигателей. Даже если эти двигатели удастся приспособить для работы на этих топливах, экономия энергии будет не столь значительна, как это кажется на первый взгляд. Подсчитано, что при использовании менее очищенных углеводородов экономия
Энергии составит не более 3,8 % , и, поскольку использование таких топлив отрицательно скажется на удельных расходах топлива и на содержании выбросов в атмосферу, этот вариант также не является решением проблемы.
Таким образом, единственный вариант, который остается,- это производство синтетических жидких углеводородов, т. е. углеводородов, получаемых не из ископаемой нефти, а, например, из угля, горючих сланцев, смолистых песков. К недостаткам этого варианта следует отнести большие затраты энергии на процесс получения синтетических топлив. Например, жидкое топливо, получаемое из угля, особенно предназначенное для двигателя с принудительным зажиганием, теряет в процессе своего производства до 40 % энергии, содержащейся в источнике, из которого оно получено. Однако производство топлива из угля, предназначенное для двигателя Стирлинга, не требует сложной технологии, и на получение такого топлива затрачивалось бы существенно меньше энергии. Из сказанного следует, что для подсчета общего термического КПД установки, работающей на синтетическом топливе, необходимо учитывать также КПД преобразования первоначального вида энергии в ее вид, пригодный для использования в данной установке. Результаты таких расчетов представлены в табл. 1.17 .
Таблица 1.17. Термические КПД, характеризующие преобразование энергии заключенной в источнике топлива, в полезную работу на выходе из двигателя
Синтетическое топливо
КПД Общий двигателя, КПД,
Сланцевое мас-
Газовая турбина СЗБ
Двигатель Стерлинга
По этим результатам вариант 3 представляется более привлекательным, за исключением того, что все перспективные двигатели, для которых получены удовлетворительные результаты,- двигатели с принудительным зажиганием и слоистым зарядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые турбины,- требуют значительных капиталовложений для производства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В модифицированном варианте 3 рассмотрена возможность использования горючих смесей, составленных из синтетического топлива и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испы - тывалась в условиях эксплуатации - это газохол (10% этанола, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилированного бензина). Результаты испытаний показали, что эта смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, составляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие характеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается ее более высоким октановым числом. Можно также использовать смеси бензина с метанолом .
Использование смесей, однако, лишь в незначительной степени снизит остроту проблемы импорта нефти, а именно пропорционально процентному содержанию синтетического топлива в смеси. В то же время капиталовложения, необходимые для строительства заводов по производству сравнительно небольшого количества таких смесей, превысили бы возможности малых стран и даже многих многонациональных компаний. Например, согласно оценкам, для производства 17,2 млн. т/год газохола к 1990 г. (иными словами, всего 2 % общей потребности в жидких углеводородах) понадобилось бы не менее 10 млрд. долл. Этот расчет выполнен для смеси этанола с бензином в отношении 5: 95, так что общее количество потребляемой нефти уменьшится на величину, составляющую 5 % от 2 %, т. е. на 0,1 %. С учетом современных цен на нефтепродукты такое строительство обойдется в 20 раз дороже, чем закупка соответствующего количества нефти.
Из сказанного следует, что, хотя необходимость заставляет искать альтернативные источники топлива, потребуются колоссальные капиталовложения, чтобы эти источники смогли оказывать хоть какое-то влияние на структуру потребления топлива вплоть до конца первой четверти следующего столетия, в особенности синтетические топлива. Тяжелые нефтяные топлива и уголь смогут оказать некоторое влияние на структуру потребления топлива стационарными силовыми установками как малой, так и большой мощности. Для транспортных силовых установок единственным выходом из положения остается снижение расхода топлива, причем это относится не только к автомобилям, но и к морским судам, где 72 % бортовых силовых установок составляют дизельные двигатели . Сокращение норм потребления топлива, как уже говорилось, только частично разрешает проблему: двигатели с существенно меньшим расходом топлива окажут большее влияние на решение проблемы экономии энергии, особенно если они будут способны работать на различных видах топлива. Двигатель Стирлинга продемонстрировал, что уже на современном этапе своего развития он может обеспечить существенную экономию топлива. Однако с учетом интенсивности проводимых в настояшее время исследовательских и конструкторских разработок эта экономия может быть еще больше. Фирма «Форд» к моменту завершения своей программы работ по двигателям Стирлинга прогнозировала, что с уровнем достоверности 73 % можно ожидать снижения расхода топлива на 38 %, а с уровнем достоверности 52 % -на 81 % .