1. Введение в принцип работы паровой турбины
Сегодня мы познакомимся с устройством паровой турбины и научимся вычислять коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.
На прошлом занятии мы рассматривали устройство, особенности и принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания является видом теплового двигателя, который получил основное применение на транспорте. Другим важным видом теплового двигателя является паровая турбина. Преимуществом паровой турбины над двигателем внутреннего сгорания является то, что в ней нет цилиндров, шатуна, коленчатого вала, а вся работа совершается паром непосредственно при движении вала, на котором укреплены лопатки турбины. Таким образом, в паровой турбине меньше узлов, в которых могут происходить потери полезной работы.
На прошлом уроке мы познакомились с изобретением древнего ученого Герона Александрийского (рис. 1), которое называется Эолипил (рис. 2). Принцип работы устройства, которое скорее было игрушкой, нежели полезным рабочим прибором, основывался на вращении сферического элемента, из которого выходил горячий пар, образованный разогретой водой. Это примитивное устройство уже можно считать первым прообразом паровой турбины.
Герон Александрийский
Рис. 1. Герон Александрийский
Эолипил
Рис. 2. Эолипил
2. Устройство и принцип работы паровой турбины
Рассмотрим устройство основных элементов турбины (рис. 3): на вал насажен диск, на котором расположено множество лопастей, изогнутых под определенным углом, напротив лопастей располагаются сопла, из которых поступает пар и заставляет вращаться турбину. Пар может разгонять вал турбины до 30 000 оборотов в минуту, при этом мощность наилучших образцов паровых турбин (рис. 4), изготовленных на сегодняшний день, может достигать 1 500 000 кВт.
Устройство паровой турбины
Рис. 3. Устройство паровой турбины
паровая турбина
Рис. 4.
3. Коэффициент полезного действия (КПД)
Главной характеристикой любого технического устройства и тепловой машины в частности является коэффициент полезного действия, который сокращенно в виде аббревиатуры называют КПД.
Определение. Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.
Обозначение КПД: «эта».
Единицы измерения КПД: чаще всего в %, но иногда измеряют и просто числом, в виде так называемой доли, например, 50% = 0,5. КПД является безразмерной величиной.
Коэффициент полезного действия является наиболее важной для любых технических устройств величиной, т. к. позволяет оценивать эффективность работы механизма, а следовательно, целесообразность и даже область его использования.
4. Устройство тепловой машины
Рассмотрим принципиальное устройство любого теплового двигателя (машины): он состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Под термином «холодильник» подразумевается окружающая среда, которая забирает остатки тепла у тепловой машины, а не сам бытовой прибор под одноименным названием. Нагреватель – это элемент, передающий тепло, например, сгораемое топливо. В результате сгорания топлива образуется рабочее тело, в любом тепловом двигателе в качестве рабочего тела выступает газ, например, пар, как в случае с паровой турбиной. Именно в нагретом состоянии газ и совершает работу, а остаток тепла передается холодильнику.
5. КПД тепловой машины
Ознакомимся со схемой и физическим принципом работы тепловой машины (рис. 5). От нагревателя тепло () передается рабочему телу (Р. Т.), т. е. газу, который образовался в результате сгорания топлива, рабочее тело совершает работу (), остатки неизрасходованного на полезную работу тепла () передаются холодильнику.
Схема тепловой машины
Рис. 5. Схема тепловой машины
Формула для вычисления КПД тепловой машины:
Где .
Обозначения:
полезная работа, которую совершает рабочее тело, Дж;
количество теплоты, которое передал рабочему телу нагреватель, Дж;
количество теплоты, которое рабочее тело передало холодильнику, Дж.
Объяснение:
Средняя скорость тела - это среднее арифметическое между начальной и конечной скоростью тела на этом промежутке. Найдем их:
а) начальная скорость тела при вхождении в треть дистанции. То есть, до входа в последнюю треть, тело ещё пролетело две трети дистанции и набрало скорость v. Выведем её из общей формулы:
Учитывая, что a = g, v₀ = 0 (тело падает без начальной скорости) и , получаем v:
б) конечная скорость тела при окончании трети дистанции. Это, собственно, конечная скорость всего пути. По той же формуле, но теперь S = h:
Средняя скорость:
vср. = (v₁ + v₂) / 2
Избавимся от цифр, приблизительно подсчитав значение цифр:
(точность очень хорошая, я округлил 1,64983 ≈ 1,65)
vср = √(1,65 * 10 м/с^2 * 80 м) ≈ 36,3 м/с
Поделитесь своими знаниями, ответьте на вопрос:
2. масса алюминиевого чайника 0, 4 кг. определите массу такого же медного чайника (плотность алюминия 2, 7г/см3, плотность меди 8, 9 г/см3)
вариант10,4кг=400гv=m1/p1v=400/2,7=148см3m2=p2*vm2=8,9*148=1317г=1,3кгвариант2v=m1/p1m2=p2*v=(p2*v)/p1