Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
,
где
Wout — механическая работа, Дж;
Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 - 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 - 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100°С.
Практическая часть
Построение механизма
В практической части была сделана попытка сконструировать механизм, способный двигаться на пару.
Для работы мы использовали различные материалы, которые можно купить в хозяйственном магазине.
Механизм состоял из различных подручных средств.
Были использованы такие материалы как:
железная платформа размером,
банка из-под освежителя воздуха,
различные металлические крепежи,
металлический винт,
различного диаметра трубочки,
различные держатели,
металлическая проволока,
свеча,
сухой спирт.
В первую очередь чтобы собрать механизм мы приготовили основание, на чем будет стоять наш механизм выбор пал металлическую платформу размерами (11*23)см.
Металлическая платформа по своим качествам и свойствам: прочная, способная выдержать длительные нагрузки и приличный вес механизма, а так же, способна выдержать длительный жар и не деформироваться под его воздействием.
Потом мы подготовили емкость, в которую будет наливаться вода и в дальнейшем нагреваться. Для емкости мы использовали банку из под освежителя воздуха размерами в высоту 12см и в 7см в диаметре.
Так как нам продеться её нагревать, наружный металлический корпус идеально подходил для этого. А так же плюсы этой емкости были в том, что она была практически герметична. Подача воздуха и выход пара происходил через одно отверстие. Была приделана металлическая узкая трубочка на выходе из емкости, чтобы увеличить давление в ней при нагревании и создать как можно больший поток пара на выходе из емкости.
Для того чтобы установить емкость на металлической платформе были использованы металлические крепежи.
Металлические крепежи были сделаны специально из толстого металла, для того чтобы они были способны выдержать вес емкости с водой, а так же стойкими к огню.
Так как при нагревании емкости выходящий из неё пар сконцентрирован в одном месте и создает горячий поток воздуха. Именно эту особенность мы решили использовать и по закону сохранения энергии, что энергия может переходить из одной формы в другую.
И возникла идея превратить пар в механическую энергию.
Чтобы это сделать, был использован металлический винт.
Поток пара направленный на лопасть винта заставил бы его крутиться винт вокруг своей оси, что наглядно показывало на переход энергии в механическую.
Ось винта с одной стороны должна быть с удлинением 2-3 см. Поскольку на неё будет крепиться резинка, соединяющая ее с колесом механизма. И за счет того, что винт будет крутиться под напором пара, то через резинку это движение будет переходить на колесо. Что в конечно итоге должно заставить медленно двигаться механизм.
Одно из важнейших особенностей этого механизма это нагревание воды в емкости. Были использованы 2 вида источника тепла: первый это обычная свечка, которая даем не достаточно теплоты, чтобы заставить воду кипеть и сухой спирт, который значительно больше дает теплоты, но тоже не способная быстро выпаривать воду.