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        淺談熱機(jī)及其效率

        2018-05-14 23:12:18金行澤
        知識(shí)文庫(kù) 2018年15期
        關(guān)鍵詞:有用功熱機(jī)熱源

        金行澤

        人們一直在為提高熱機(jī)的效率而努力,在摸索中對(duì)蒸汽機(jī)等熱機(jī)的結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行各種嘗試和改進(jìn),盡量減少漏氣、散熱和摩擦等因素的影響,但熱機(jī)效率的提高依舊很微弱。這就不由得讓人們產(chǎn)生疑問(wèn):提高熱機(jī)效率的關(guān)鍵是什么?熱機(jī)效率的提高有沒(méi)有一個(gè)限度?

        1 熱機(jī)概述

        熱機(jī)是指把持續(xù)將熱轉(zhuǎn)化為功的機(jī)械裝置,熱機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的是蒸汽機(jī)。一個(gè)熱機(jī)至少應(yīng)包含以下三個(gè)組成部分:循環(huán)工作物質(zhì);兩個(gè)或兩個(gè)以上的溫度不同的熱源,使工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?,向低溫?zé)嵩捶艧幔粚?duì)外做功的機(jī)置。

        2 熱機(jī)循環(huán)

        所謂循環(huán)過(guò)程,是指系統(tǒng)(即工作物質(zhì))從初態(tài)出發(fā),經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài),最后回到原來(lái)狀態(tài)的過(guò)程。一個(gè)循環(huán)過(guò)程在P-V圖上即為一條閉合的循環(huán)曲線,在循環(huán)過(guò)程中熱機(jī)所做的凈功就是指P-V圖上循環(huán)曲線所圍的面積。

        3 熱機(jī)效率——僅與兩個(gè)熱源接觸情形

        對(duì)于一個(gè)熱機(jī),由熱力學(xué)第二定律知:不可能從單一熱源吸熱,不需對(duì)外放熱,而使之全部變成有用功而不產(chǎn)生其他影響。由此可知,熱機(jī)不可能將從高溫?zé)嵩次盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為功,即熱機(jī)效率不能達(dá)到100%,這樣,人們就必然會(huì)關(guān)心燃料燃燒所產(chǎn)生的熱中,或熱機(jī)從高溫?zé)嵩次盏臒崃恐校卸嗌倌芰哭D(zhuǎn)化為有用功的問(wèn)題,即熱機(jī)的效率問(wèn)題。

        設(shè)熱機(jī)效率用 表示, 、 分別表示熱機(jī)循環(huán)中高溫所熱源放出的熱量及低溫?zé)嵩此盏臒崃?,W對(duì)外表示熱機(jī)對(duì)外做的功,則有:

        對(duì)于整個(gè)循環(huán)中,系統(tǒng)回到原狀態(tài),知

        由熱力學(xué)第一定律

        得:

        將(3)代入(1)得:

        因而,熱機(jī)的效率永遠(yuǎn)小于100%。

        4 熱機(jī)效率的物理意義。

        熱機(jī)的效率越高(或越低) , 表示用來(lái)做有用功的那部分能量與燃料完全燃燒放出的能量的比值越大(或越?。?; 也可表示熱機(jī)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的百分比越大(或越?。?; 還可表示完全燃燒相等的燃料的情況下, 熱機(jī)做的有用功越多(或越少) , 或者做相同有用功的情況下, 熱機(jī)消耗的燃料越少(或越多)。

        5 實(shí)際問(wèn)題中的熱機(jī)效率與致冷系數(shù)

        卡諾熱機(jī)的效率 ,T1為高溫?zé)嵩礈囟?,T2為低溫?zé)嵩礈囟取睦碚撋现v, 提高卡諾熱機(jī)效率可采用(1)提高高溫?zé)嵩礈囟萒1;(2) 降低低溫?zé)嵩礈囟萒2;(3)二者并舉, 但實(shí)際上除了減少損耗以提高熱機(jī)的效率外, 主要是提高高溫?zé)嵩吹臏囟龋?而低溫?zé)嵩炊嗖捎么髿?。這是因?yàn)橛档偷蜏責(zé)嵩礈囟龋?就需要采用致冷設(shè)備, 而致冷機(jī)的致冷系數(shù) ,逆向卡諾循環(huán)的致冷系數(shù) 。

        低溫?zé)嵩碩2 溫度越低,致冷系數(shù)越小,外界對(duì)致冷機(jī)作功越多。這樣雖然提高了熱機(jī)效率, 但同時(shí)又白白把一部分功消耗在制冷上, 代價(jià)昂貴。

        對(duì)于有些實(shí)際間題也可以把熱機(jī)和致冷機(jī)組合在一起, 比如在動(dòng)力暖氣裝置的設(shè)備上。它是由一熱機(jī)和一致冷機(jī)組合而成。熱機(jī)靠燃料燃燒所放出的熱量工作, 向暖氣系統(tǒng)中的水放熱, 并帶動(dòng)致冷機(jī)。致冷機(jī)自天然蓄水池中吸熱也向暖氣系統(tǒng)放熱。這樣, 暖氣系統(tǒng)所得的總熱量, 將要比單獨(dú)燃燒燃料所獲得的熱量多, 從而有效提高了高溫?zé)嵩吹睦寐?。從理論上講, 高溫?zé)嵩礈囟仍礁撸?低溫?zé)嵩礈囟仍降停?熱機(jī)效率越高。但是低溫?zé)嵩礈囟炔豢赡艿扔诹悖?所以熱機(jī)的效率只能小于1。蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等都屬熱機(jī),而實(shí)際熱機(jī)的效率受到許多因素(如摩擦、漏氣、工作物質(zhì)本身性質(zhì)等)的限制,目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的最大效率可達(dá)30%左右, 提高實(shí)際熱機(jī)效率的間題,永遠(yuǎn)是人類(lèi)研究的課題,我們今天研究熱機(jī)效率與致冷系數(shù)問(wèn)題,對(duì)將來(lái)從事科學(xué)研究具有重要的指導(dǎo)意義。

        6 提高熱機(jī)效率的措施。

        眾所周知, 各種能源都是有限的。 因此, 人類(lèi)在開(kāi)發(fā)新能源的同時(shí)必須注意節(jié)約能源. 目前使用的熱機(jī)效率普遍較低, 因而提高熱機(jī)效率是節(jié)約能源的有效途徑. 要有效提高熱機(jī)效率, 可從以下幾方面人手:

        (1)在熱機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方面, 要不斷地改進(jìn)和革新, 以減少各種能量損失。

        (2)在熱機(jī)的使用過(guò)程中, 確保方法正確, 并注意保養(yǎng), 比如: 保證良好的潤(rùn)滑、各運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙要調(diào)節(jié)恰當(dāng)盡可能減少機(jī)械損耗。

        (3)想方設(shè)法使燃料盡可能充分燃燒, 使得等量的同種燃料燃燒時(shí)放出更多的熱量。

        (作者單位:寧波市鎮(zhèn)海蛟川書(shū)院)

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