Номер 316, страница 48 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Тепловые явления. Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели - номер 316, страница 48.

Условие.

316. Укажите возможные пути экономии топлива при работе тепловых двигателей.

Решение.

Экономия топлива при работе тепловых двигателей достигается в первую очередь за счет повышения их коэффициента полезного действия (КПД) и снижения всевозможных потерь энергии. Основные пути для достижения этой цели можно разделить на несколько направлений.

1. Повышение термодинамического КПД

Коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя, работающего по циклу Карно, ограничен фундаментальным соотношением:

$\eta_{max} = \frac{T_1 - T_2}{T_1} = 1 - \frac{T_2}{T_1}$

где $T_1$ – это абсолютная температура нагревателя (например, температура сгорания топливо-воздушной смеси), а $T_2$ – абсолютная температура холодильника (температура окружающей среды, куда отводится тепло). Следовательно, для повышения КПД необходимо:

- Повышать температуру нагревателя ($T_1$). В реальных двигателях это достигается за счет применения топлива с более высокой теплотой сгорания, увеличения степени сжатия в цилиндрах, использования новых жаропрочных сплавов для деталей камеры сгорания и лопаток турбин, а также применения перегретого пара высокого давления в паровых турбинах.

- Понижать температуру холодильника ($T_2$). Этот путь ограничен, так как температура холодильника не может быть ниже температуры окружающей среды. Однако для стационарных тепловых электростанций можно повысить эффективность, используя более холодную воду из рек или озер для системы охлаждения.

2. Снижение технических потерь

КПД реальных двигателей всегда ниже идеального из-за необратимых процессов и технических потерь. Их снижение является ключевой задачей для экономии топлива:

- Уменьшение потерь на трение. Использование современных смазочных материалов с низким коэффициентом трения, оптимизация конструкции и точности изготовления движущихся частей (поршневой группы, подшипников) снижают механические потери.

- Обеспечение полноты сгорания топлива. Совершенствование систем топливоподачи (например, прямой впрыск под высоким давлением), оптимизация формы камеры сгорания, использование систем турбонаддува (позволяющих подать больше кислорода для сжигания) обеспечивают более полное извлечение энергии из топлива.

- Уменьшение тепловых потерь. Часть теплоты бесполезно уходит через стенки цилиндров в систему охлаждения. Применение теплоизоляционных покрытий на деталях камеры сгорания позволяет удержать больше тепла в рабочем теле, превращая его в полезную работу.

3. Использование энергии отработавших газов (рекуперация)

Отработавшие газы тепловых двигателей имеют высокую температуру и несут в себе значительную часть энергии (до 40%). Эту энергию можно и нужно использовать:

- Турбонаддув. В двигателях внутреннего сгорания энергия выхлопных газов используется для вращения турбины, которая сжимает поступающий в цилиндры воздух, что повышает мощность и КПД.

- Когенерация. В теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) тепло отработавшего пара или выхлопных газов используется для отопления и горячего водоснабжения, что резко повышает общую эффективность использования топлива.

- Парогазовые установки (комбинированный цикл). Горячие выхлопные газы газовой турбины направляются в котел-утилизатор, где производят пар для дополнительной паровой турбины. КПД таких установок может превышать 60%.

4. Оптимизация режимов работы и эксплуатации

Для двигателей, установленных на транспортных средствах, важны и эксплуатационные факторы:

- Поддержание двигателя в оптимальном режиме работы (избегание длительной работы на холостом ходу, движение с постоянной скоростью).

- Снижение общей массы транспортного средства и улучшение его аэродинамики.

- Применение гибридных силовых установок, где ДВС работает в паре с электродвигателем, и используется рекуперативное торможение для возврата части энергии движения.

Ответ: Основные пути экономии топлива при работе тепловых двигателей: повышение термодинамического КПД (увеличение температуры нагревателя, снижение температуры холодильника), снижение технических потерь (на трение, неполное сгорание, утечки тепла), использование вторичной энергии отработавших газов (турбонаддув, когенерация, комбинированный цикл) и оптимизация режимов эксплуатации двигателя.