Меню Закрыть

Теплоэффективность: Страница не найдена – HOMIUS

Содержание

Теплоэффективность каркасного дома | Блог строительной компании RNR

 

Существует распространённый миф, который утверждает, что теплоэффективность каменного дома выше, чем дома каркасного. Объясняют это тем, что стены каменного дома имеют большую теплоёмкость – они накапливают тепло во время отопления, а потом отдают его и, тем самым, согревают всё, что находится в доме. Так ли это на самом деле? Можно дать чёткий и уверенный ответ: нет!

Несмотря на то, что стены дома из камня действительно имеют большую теплоёмкость, чем стены каркасного дома, тепловая эффективность каркасного строения существенно выше. Это объясняется очень просто: значительная часть тепла, аккумулированного стенами каменного дома, будет рассеяна за его пределы – наружу. При этом сами по себе каменные стены имеют гораздо меньший КПД, чем любые отопительные приборы (например, кирпичные печи). Не забывайте и о том, что для отопления каменного дома нужно значительно больше ресурсов – именно за счёт поглощения стенами большого количества тепла.

Таким образом, теплоёмкость стен каменного дома становится преимуществом только в одном случае: если речь идёт об улавливании солнечного тепла – энергии, на которую не нужно тратиться. При этом после отключения отопления в каркасном доме температура падает очень медленно, а дом из камня полностью вымерзает за 6-9 часов (естественно, речь идёт о зимнем времени года). Сторонники капитального строительства могут возразить, что в каменном доме можно на ночь выключать отопление и экономить на топливе именно за счёт того, что стены будут отдавать тепло. Это действительно так, но утром потребуется снова нагреть остывшие стены и воздух – на решение данной задачи и будут потрачены «сэкономленные» ресурсы.

Были проведены исследования, итог которых поражает приверженцев строительства из камня: на 1 квадратный метр площади каркасного строения расходуется почти в два раза меньше тепла, чем на 1 квадратный метр дома из кирпича.

Каким образом утепляют каркасные дома?

От чего зависит теплоэффективность каркасного дома? Ответ очевиден: от того, насколько правильно был выбран материал утеплителя. В строительстве каркасных домов широко применяют минеральную и каменную вату, пенополистирол и пенопласт. Оптимальным утеплителем многие фирмы считают минеральную вату: она устойчива к горению, хорошо гасит звуки и удобна в работе.

Ячейки каркаса строения заполняют утеплителем, с внутренней стороны стен укладывают пароизоляцию, а с внешней обустраивают ветро- и гидрозащиту. Для обустройства отопления рекомендуется использовать трубы из металлопластика или сшитого полиэтилена. Они не подвержены перемерзанию. Более того, их без проблем можно монтировать внутри стен.

Тепловизионное исследование

Для проверки теплоэффективности каркасного строения применяют тепловизоры – устройства, позволяющие определить зоны потери тепла. В каркасном доме, возведённом с точным соблюдением технологии, основными участками потери тепла являются окна и двери. Важно отметить, что даже через патентованные стеклопакеты, производители которых гордятся отличными термоизоляционными показателями, тепло уходит гораздо активнее, чем через каркасные стены.

Если же каркасный дом остывает быстрее, чем предполагалось при постройке, тепловизионное исследование является лучшим способом определить причину возникшей неприятности. Особое внимание следует уделять стыкам между стенами и полом, а также участкам, где стропильная система примыкает в верхней обвязке каркасной стены – именно в этих зонах непрофессиональные рабочие чаще всего допускают ошибки. А вообще, лучшим решением будет сразу
нанять профессионалов, которые сделают всё по технологии.

Теплоэффективность домов из полистиролбетонна —

Высокая теплоэффективность домов из полистиролбетонна — ключевая черта и визитная карточка ячеистого бетонного композита, определяющая его конкурентоспособность. Низкая теплопроводность полистиролбетонных блоков на фоне высокой их прочности, выделяет данный материал на фоне остальных.

Для российских климатических условий, с длительными периодами похолоданий и морозными зимами, определяющее значение при выборе материала для возведения дома имеет его способность длительно сохранять драгоценное тепло.

Производство и физико-технические характеристики

Традиционный бетонный раствор впервые был объединен с синтетическими шариками в 1951 году, однако достигнутый на тот момент уровень развития химической промышленности, выпускающей вспененный полистирол, не обеспечил новому материалу конкурентной себестоимости. Полистиролбетон начали широко применять в строительстве с 1967 года, а в настоящее время этот материал лидирует в группе предпочтений жителей развитых стран, расположенных на территориях с умеренным и суровым климатом — США, Канады, Европы.

Уникальное сочетание высокой прочности и теплоемкости достигается приданием бетону пористой структуры. В отличие от пено- и газобетона бетона, полостная структура которых заполнена газом, ячейки полистиролбетона выполнены округлыми шариками твердой синтетической пены, что придает ему дополнительные положительные свойства. Цементный раствор обволакивает вспененный полистирол и застывает, формируя плотную пористую структуру, изолированные камеры которой образованы и заполнены полистиролом.

Прочность, вес и теплопроводность готового материала определяет его целевое предназначение и зависит от:

  • Рецептуры бетонной смеси;
  • Объема вводимой твердой пены.

Теплоизоляционные разновидности, представленные марками D 150 — 250, нашли широкое применение в качестве утеплителя ограждений, полов и кровель, сравнимого по качеству удержания тепла с минеральной ватой. Низкая плотность не позволяет использовать их для возведения несущих элементов, однако им успешно заполняют каркасы, образованные более прочными материалами.

Полистиролбетоном промежуточной плотности классов D 250 – 350 также можно заполнять пространства между кирпичной кладкой, кроме того, материал пригоден для изготовления самонесущих конструкций и перегородок.

Плотность 400 — 600 кг / м3 достаточна для возведения стен несущего типа. Стены из конструкционно-теплоизоляционного блока сочетают высокие прочностные характеристики с сопротивляемостью потерям тепла.

Полистиролбетон — единственный представитель группы ячеистых бетонов, эффективно сопротивляющийся нагрузкам на изгиб, что расширяет архитектурные возможности проектирования, исключает появление изломов и трещин.

От аналогичной по теплоемкости, паропроницаемости и легкости обработки древесины композитный бетон с синтетическими гранулами выгодно отличается огнестойкостью и устойчивостью к деструкции бактериями и грибком.

Вес, напрямую определяющий нагрузку на фундамент, зависит от объема вводимого пенополистирола. Легкость полученных с его добавлением блоков позволяет обойтись в процессе строительства без привлечения тяжелой спецтехники, снизить трудозатраты, увеличить скорость возведения, а также соорудить незапланированные первоначальным проектом здания вертикальные надстройки: дополнительные этажи, жилые мансарды, расширяющие в вертикальном направлении полезную площадь участка.

Тепловая эффективность полистиролбетонных строений

Показатель, отражающий количество тепловой энергии, проходящий за определенный временной интервал через единицу поверхности при изменении температуры среды на 1 0, входит в формулы расчета необходимой толщины стен зданий.

По сравнению с альтернативными стройматериалами, прочность которых достаточна для возведения несущих и опорных конструкций, коэффициент теплопроводности полистиролбетона минимален. Например, стена из пенополистирола (полистиролбетона) толщиной 40 см по способности проводить тепло эквивалентна 1,5 — метровому слою кирпичной кладки.

Способность твердой субстанции проводить тепло традиционно измеряется в Вт / м * С.

Для марок D 150 – 250 данный коэффициент составляет 0.055 — 0.075, что приближает теплоизоляционный пенобетон к минеральной вате.

С увеличением плотности повышается теплопередача, однако и даже высокопрочные конструкционные полистиролбетоны марок D 500 — D 600 характеризуются низким ее уровнем. Значения коэффициента 0.125 — 0.145 ставят материал в один ряд с древесиной, славящейся своей теплоемкостью.

Факторы, влияющие на теплоэффективность строений из полистиролбетонного блока

  1. Высокое содержание воды в цементном растворе не только способствует повышению теплопроводности, но и значительно снижает прочность блоков, приводя к увеличению усадки и снижении сопротивляемости механическим нагрузкам. Необходимо тщательно выбирать производителя, владеющего апробированной рецептурой и технологически совершенной базой, заботящегося о высоком качестве выпускаемого материала;
  2. Насыщение воздухоносных пор атмосферной влагой закономерно снижает теплопроводность полистиролбетона, однако блоки впитывают ее в минимальных количествах. Ячейки, выполненные вспененными синтетическими шариками, не сообщаются между собой, подобно капиллярной сети воздушных полостей газобетона. Влага насыщает только внешний, непосредственно контактирующий с внешней средой слой и повышает проведение тепла совсем незначительно.

Данное обстоятельство позволяет вводить полистиролбетонные строения в эксплуатацию непосредственно после возведения, отсрочив работы по внешней отделки стен или вовсе отказавшись от них. Однако, оштукатуренная или защищенная иным способом от намокания стена достоверно лучше сохранит тепло и перенесет замораживание;

  1. Малый вес бетонных блоки с полистиролом позволяет увеличить из габариты. Однако места стыков потенциально могут служить каналами потери тепла.

Использование специального клея вместо традиционной кладочной смеси позволяет получить тонкий (до 2 — 3 мм) шов, который, в отличие от широких соединений из традиционной кладочной смеси, минимизирует образование температурных мостов.

Теплоэффективные блоки: состав, виды, характеристики, особенности

Конструктивно блок состоит из несущего слоя, выполненного из керамзитобетона, среднего слоя современного утеплителя (пенополистирола) и внешнего слоя из цветного бетона, декорированного под природный камень. Все слои скреплены между собой соединением «паз-шип», а для придания дополнительной прочности сквозь тело блока проходят специальные стеклопластиковые штыри с ограничителями.

Состав и технология изготовления теплоэффективных блоков

Стеновые блоки подобной конструкции производятся на полуавтоматических линиях методом вибролитья с последующим естественным затвердеванием. Для их формовки применяются неразъемные металлические формы, а создание блока производится последовательно, что обусловлено сложной многослойной структурой материала и применением дополнительной арматуры.

  • Геометрические размеры блока регламентируются ГОСТ 28984.
  • Материалы, входящие в состав блока, портландцемент М400 по ГОСТ 10178, М500 — ГОСТ 22266,
  • песок кварцевый по ГОСТ 8736;
  • химические добавки, используемые в бетонной смеси по ГОСТ 24211;
  • в качестве утеплителя — пенополистирольные плиты по ГОСТ 15588.

Классификация и подвиды многослойных теплоблоков блоков

Теплоэффективные блоки классифицируются по нескольким параметрам:

  • по цвету и фактуре верхнего декоративно-защитного покрытия. Они могут быть любыми в зависимости от требований заказчика
  • по толщине теплоизоляционного слоя. Толщина слоя выбирается в зависимости от предполагаемой климатической зоны, в которой будет эксплуатироваться конкретный материал, и от особенностей теплопотерь здания;
  • по количеству слоев, применяемых для создания блока — трех- и четырехслойные. В четырехслойном варианте конструкции блока теплоизоляционный слой находится внутри несущей конструкции, изготовленной из легкого бетона;

По размерам и форме блоков, применяемых для различных видов строительных работ:

  • обычный блок;
  • блок с отверстием под вентиляцию;
  • угловой блок;
  • блок с четвертью для организации дверных и оконных проемов;
  • поясные и доборные блоки.

Максимальное отклонение от заданных размеров теплоэффективного блока составляет 2 мм, что дает возможность при возведении стен укладывать материал на специальный клей и проводить внутренние отделочные работы без оштукатуривания полученной поверхности.

Технические характеристики теплоэффективных блоков

  1. Прочность — 60,8 кг/см2. Прочность этого материала позволяет возводить здания повышенной этажности, при этом особое внимание уделяется угловым блокам, как основным несущим элементам. Блоки этой конструкции выпускаются в усиленном варианте.
  2. Объемный вес — 1 000 – 1 500 кг/куб.м. Поскольку блоки такого типа представляют собой многослойный материал, то общий удельный вес материала зависит от его конструктивных особенностей (толщины слоя пенополистирола, декоративного слоя бетона и др.). Удельный вес элементов блока: плотность керамзитобетона 1 590 кг/м3 – 1 700 кг/м3; плотность пенополистирола — от 25 кг/м3, плотность декоративного бетона 1 600 кг/м3 – 1 900 кг/м3.
  3. Теплопроводность — 3,14м2 К/Вт или 0,04 вт/мГрад. Это средний показатель, который может изменяться в зависимости от толщины теплоизоляционного слоя. Обычно этот материал является наиболее энергосберегающим при наименьшей толщине стены.
  4. Морозостойкость – 70 циклов (F70). Этот показатель вполне отвечает условиям долговечности возводимых объектов. Материал служит не одно десятилетие, не теряя при этом эстетической привлекательности.
  5. Усадка — 0,1 мм/м. Это очень высокий показатель, который обеспечивает сохранение формы и размеров стены после завершения кладки
  6. Водопоглощение — 10 %. Внутренний и наружный слои материала надежно защищают его структуру от проникновения влаги, поэтому материал отличается высокой прочностью в различных условиях эксплуатации и не нуждается в дополнительной защите.
  7. Паропроницаемость 0,07 – 0,13 мг/м ч Па. Этот показатель вполне достаточен для поддержания комфортных условий в помещении, поскольку позволяет совершаться влагообмену в необходимом объеме.
  8. Огнестойкость — К0 – К1. Некоторые конструктивные решения при производстве строительных блоков подобного типа позволяют повышать их огнестойкость до максимальных значений по СНиП 21-01-97. Такие показатели дают возможность использовать материал для сооружений всех степеней огнестойкости
  9. Стоимость теплоблоков 6 300 – 8 100 руб/м3. Стоимость материала зависит от формы и конструктивных особенностей изделия, а также от толщины несущего и теплоизоляционного слоя.
  10. Звукоизоляция – высокая. Стены, возведенные из теплоэффективных блоков, надежно защищают помещение от уличного шума и не требуют дополнительной звукоизоляции.
  11. Максимальная этажность строения — 3 этажа. Материал позволяет возведение несущих конструкций при малоэтажном строительстве, а при строительстве по каркасной технологии не существует ограничений по этажности.

Особенности теплоэффективных блоков

Теплоэффективные блоки – это очень прогрессивный материал, который, обладая множеством преимуществ, практически лишен недостатков.

  • Многослойность материала дает возможность возводить стены без применения дополнительной тепло- и звукоизоляции, что значительно сокращает время строительства и экономит средства.
  • При одинаковой теплопроводности толщина стен, выполненных из теплоэффективных блоков, будет гораздо меньше, что позволяет экономить строительные материалы и увеличивать жилое пространство дома при тех же габаритных размерах.
  • Точность размеров блока дает возможность производить кладку с применением специальных смесей, без использования раствора. Поэтому не требуется привозить на строительную площадку дополнительную технику и материалы.
  • Соблюдение размеров при изготовлении блоков минимизирует работы по дополнительной отделке и подготовке внутренних помещений, экономя время и средства.
  • Небольшой вес по сравнению с другими материалами, исполняющими несущие функции, дает возможность закладки более легкого фундамента, также экономя средства.
  • Из-за небольшого удельного веса материала минимизируются транспортные расходы, а невысокое влагопоглощение позволяет хранить блоки при минимальной защите.

Область применения и способы транспортировки

Поскольку теплоэффективные блоки имеют декоративно-защитный внешний слой, то они широко используются для возведения частных зданий при малоэтажном строительстве, высотных построек с применением каркасной технологии, а также для строительства объектов культурного назначения.

Блоки такого типа транспортируются на специальных поддонах и защищаются полиэтиленовой пленкой. Для транспортировки используется грузовой автомобильный и железнодорожный транспорт. Разгрузка производится кранами или специальными погрузчиками.

Вологда | В Вологде волонтеры проверяют теплоэффективность домов

Индекс тепла оценивают в жилых домах Вологды.

Накануне волонтеры проекта «Индекс тепла» Ассоциации РОСИЗОЛ из Санкт-Петербурга обследовали восемь панельных домов. Ребята проверили здания тепловизором, который наглядно показывает участки, где происходит потеря тепла, сообщает 35ТВ. А от этого напрямую зависит, насколько комфортно проживать в том или ином здании, какая доля коммунальных платежей уходит на обогрев улицы.

Как рассказывают участники проекта, прибор нужно навести на дом, на экране сразу же видно цветовую диаграмму от синего до красного и белого. Синий показывает холодные участки дома, красный и белый — те места, через которые уходит наибольшее количество тепла.

«Мы проверили самые часто встречающиеся серии домов. К примеру, 467, таких в Вологде очень много. В них самая распространенная проблема — это сами стены. Есть дома, где проблема со швами или с фундаментом, с подвалом

»,- пояснила волонтер Анна Кудряшова .

Помимо Вологды, такая проверка запланирована в 14 городах России. Итогом измерений станет специальный «Индекс тепла», его опубликуют в интернете на площадке проекта. В дальнейшем жители, опираясь на этот индекс, смогут утеплить свой дом.

Ещё новости о событии:

В Вологде волонтеры проверяют теплоэффективность домов

Индекс тепла оценивают в жилых домах Вологды. Накануне волонтеры проекта «Индекс тепла» Ассоциации РОСИЗОЛ из Санкт-Петербурга обследовали восемь панельных домов.
14:01 05.02.2022 ИА Вологда Регион — Вологда

Как дома Вологды сохраняют тепло, проверяют волонтеры

Обследования жилых домов прошли в Вологде 4 февраля. Волонтеры проекта «Индекс тепла» Ассоциации РОСИЗОЛ проверили 10 панельных и блочных домов, один из них – на ул.

20:31 04.02.2022 Вологда.РФ — Вологда

5 технологий теплосбережения в жилых новостройках — Недвижимость Екатеринбурга

Спецпроект «Как это построено» в первую очередь предназначен тем, кто присматривает себе новое жилье. Рекламный шум, который сопровождает продажу каждой новостройки, порой мешает адекватно оценить плюсы и минусы конкретного варианта. Если местоположение и планировка — вещи более менее наглядные, то конструктив стен, используемые технология для тепло- и звукоизоляции, инженерная инфраструктура — без соответствующей подготовки в этих вопросах разобраться сложно. Спецпроект 66.RU поможет сделать это.

Наши журналисты в сопровождении специалистов-строителей разберут дом по кусочкам и покажут, как и из чего он сделан. Мы будем рассказывать о технологиях, которые актуальны сегодня на рынке, чтобы вы смогли понять, какой вариант подходит вам, и задать правильные вопросы агенту по продаже.

Сегодня рассмотрим, какие теплоэффективные технологии используют застройщики и как это сказывается на стоимости жилья.

Меньше швов в стенах — больше тепла в квартирах

Большинство новостроек в нашем городе возводится по монолитно-каркасной технологии — более 80% всего возводимого жилья. Отсутствие стыков и швов при такой технологии обеспечивает прочность здания, а также его повышенные теплоизоляционные свойства.

Наружные стены монолитного дома — это такой слоеный пирог из газо- и пеноблоков, утеплителя и фасадной отделки. В качестве утеплителя в основном используется базальтовая плита, а для наружной отделки — штукатурка. Значительная часть екатеринбургских застройщиков возводит свои дома именно по такой технологии.

Хотя возможны и другие способы. Скажем, компании «Брусника» и «Премьер» используют для заполнения стен блоки, выполненные из керамического камня с большим количеством полостей, — на языке строителей это называется поризованный керамический блок.

Каждый блок имеет паз и выступ — при укладке один камень вкладывается в другой. Вертикальные швы при такой кладке отсутствуют (раствором скрепляют только горизонтальные ряды блоков). Меньше швов — меньше мостиков холода, что и обеспечивает теплоэффективность здания.

Есть и уникальные для Екатеринбурга технологии. Так, «Атомстройкомплекс» с недавних пор перешел на технологию двойной кладки — стены домов делаются из газоблока пониженной плотности D400 и облицовочного кирпича.

— Раньше мы применяли трехслойную кладку: между кирпичом и газоблоками укладывали утеплитель — как правило, минеральную вату. Но сейчас вместо утеплителя делаем второй слой газоблока. За счет низкой плотности газоблок сам по себе является хорошим утеплителем — он пористый, как шоколад, с мелкими пузырьками воздуха, которые и удерживают тепло. Подобные дома — такие же теплые, как с промежуточным минераловатным слоем, но при этом их конструкция более надежная, их быстрее и проще монтировать, многократно снижается риск «человеческого фактора».

Как поясняет специалист, со временем утеплитель может намокать, оседать и терять свои теплоизоляционные свойства. А дома, построенные по технологии двуслойной кладки, своих теплоизолирующих качеств не теряют.

Сам по себе монолит пропускает холод, добавляет Вячеслав Анищенко. Поэтому из него делают только каркас здания, а наружные, торцевые стены — обязательно из теплого материала. Но и в этом случае остается возможность промерзания — по плитам перекрытия, которые могут соприкасаться с холодным воздухом. Чтобы исключить такую возможность, застройщики также используют газоблоки.

Блоки, идущие по всему периметру дома с определенным шагом (прямоугольники в плитах перекрытия), не дают промерзать полу и потолку в районе окна: они отсекают холод, идущий с улицы через монолитную плиту.

На форумах новоселов нередко встречается вопрос: стоит ли покупать в монолитных домах квартиры, граничащие с общественными пространствами и лифтовыми холлами, — считается, что в них холоднее. Но строительные компании нашли решения, применяя которые можно сделать крайние квартиры ничуть не холоднее других, при этом они точно будут тише — соседей-то за стенкой нет.

— Квартиры, которые граничат с лифтовым холлом и общественными пространствами, мы дополнительно теплоизолировали — там устанавливается утеплитель толщиной 50 мм и пазогребневая перегородка. Это, грубо говоря, большой кирпич — делается по той же технологии и из тех же материалов, что кирпич, но отличается размером. У таких перегородок высокая плотность, соответственно, они препятствуют проникновению холода. А еще это хороший звукоизолятор.

К слову, по этой же причине — будет холодно! — раньше люди не особо любили верхние этажи: контактов с окружающим холодным воздухом (а еще — с осадками) больше, значит, больше возможностей промерзнуть. Сейчас многие строительные компании над последним жилым этажом возводят еще один — технический. И это не просто чердак, который есть и в домах советской постройки, — сюда выводят трубы отопления и, например, размещают автономную котельную. Некоторые компании дополнительно утепляют технический этаж — тот же «Атом» отсыпает слой керамзита толщиной до 150 мм.

В правильных «панельках» тоже не холодно

Следующая по распространению технология строительства, после монолита, — панельное домостроение. В советское время «панельки» считались самым холодным жильем: стыки между плитами, из которых собирают дом, промерзали порой насквозь, утеплители (в основном для этого использовалась стекловата) не спасали.

Сегодня панельное домостроение — технология не менее теплоэффективная, чем монолит. В Екатеринбурге панельное жилье возводит единственный застройщик — компания «ЛСР», используя при строительсте технологии бесшовного фасада.

По технологии «без швов» каждый контур здания собирается из однослойных железобетонных панелей толщиной 120–160 мм, с наружной стороны прикрепляется теплоизоляционный слой, на который наносится штукатурка. «Такая технология отделки фасадов обеспечивает единую поверхность стен без швов. Нет швов — нет и возможности просочиться холоду», — комментируют специалисты.

Окна и двери: чем плотнее, тем теплее

Правильное устройство наружных стен — первый шаг к теплоэффективному дому. Дальше в дело идут инженерные решения. В первую очередь — окна: именно за счет щелей в рамах старые дома выпускают тепло.

Двойные и тройные стеклопакеты давно стали своеобразной гигиеной для застройщиков. Но все же в некоторых случаях потери тепла могли возникнуть на стыках оконного блока и стены. Например, тот же утеплитель в стене зачастую становится причиной перепада высоты поверхности и появления щелей.

При двойной кладке такая возможность исключена, поясняют строители.

«Из двух слоев газоблока и кирпича получается ровная цельная поверхность без щелей и, следовательно, без продуваний. Установленные на такую поверхность окна становятся по-настоящему теплыми», — рассказывает Вячеслав Анищенко.

Новостройки лишены и еще одного источника теплопотерь, который есть в домах более ранней постройки, — деревянные и металлические двери в подъездах.

Крупные застройщики Екатеринбурга сейчас уделяют особое внимание оформлению входных групп. «Атом», например, использует для этого светопрозрачные конструкции — те же многокамерные пластиковые окна, только в виде дверей. Они не имеют зазоров, через которые может уходить тепло, и в обязательном порядке снабжены доводчиками — даже если кто-то забыл закрыть дверь, она закроется сама, и тепло не выйдет.

Горизонтальная разводка труб: «теплый пол» от застройщика

Разводка отопления в большинстве новостроек выполняется горизонтально — трубы идут в полу. (К слову, домашние кошки сразу облюбовывают места, где проходят трубы, — там тепло). В результате такого устройства отопления самое холодное место — пол — прогревается в первую очередь. Теплый воздух поднимается вверх, равномерно распределяясь по помещению. Если в квартирах устанавливают полноформатные окна (по-простому они называются «окна в пол»), частоту прокладки труб перед ними увеличивают — эффект «теплого пола» повышается.

Один из дополнительных плюсов горизонтальной разводки — она позволяет экономить на последующей оплате энергоресурсов: отсутствует общий стояк, а значит, подачу тепла в квартиру можно регулировать в зависимости от собственных нужд.

Автономные котельные: обогревают дом, а не космос

Собственные котельные — еще один способ, который активно используют застройщики для сокращения теплопотерь. Своими котельными осанащены многие ЖК в городе — есть такой тепловой пункт, к примеру, у ЖК «Малевич», ЖК «Светлый», ЖК «Хрустальногорский», ЖК «Смородина».

Как правило, котельные — это отдельно стоящие здания на территории ЖК. Некоторые застройщики пошли дальше: скажем, в ЖК «Апельсин» («Атомстройкомплекс») котельная установлена в том же здании — на техническом этаже. Такое решение позволяет максимально снизить теплопотери: трубы не «обогревают» землю, поскольку просто не идут в ней. А еще дает гарантию, что в доме круглый год будет горячая вода — никаких отключений на опрессовки.

Один из плюсов автономных котельных в том, что управляющая компания может контролировать подачу тепла: повысилась температура на улице — понизили выработку энергоресурса, стало прохладнее — включили помощнее.

Все теплоэффективные технологии, используемые крупными екатеринбургскими застройщиками, помимо главного — обеспечения тепла в доме, дают и еще один существенный плюс: они позволяют экономить на обслуживании жилья. В зимнее время этот показатель в квитанции занимает самую существенную строчку.

Блоки — ХЗСК

Теплоэффективные блоки изготавливаются по самой передовой технологии с высокой точностью геометрических размеров (погрешность составляет не более 2 мм). Это, в свою очередь, позволяет класть блоки на плиточный клей  для наружных работ (усиленный) с толщиной слоя 2–4 мм. (Для кладки блоков могут применяться легкие кладочные растворы на основе полимерно-песчаных составляющих, но наиболее эффективно применение именно морозостойких клеевых составов на полимерно-цементной основе). Применение клея дает гарантированное качество кладки, так как для ее приготовления нужна только чистая вода, и экономию, как по времени ее подготовки, так и по транспортным издержкам. При этом самого клея требуется на порядок меньше, чем при традиционной технологии, например, при производстве кирпичной кладки на цементно-песчаную кладочную смесь. (Расход клея – 25 кг на один куб. м блоков, или 3,3 кв. м стены, толщиной 250 мм).

Для возведения зданий используется несколько видов блоков.


Номенклатура изделий включает в себя блоки для наружных стен:
— рядовые
— половинчатые
— угловой наружный
— внутренний


Возможна разработка и изготовление индивидуальных форм для изготовления любых других блоков, по желанию заказчика.

 

Новые Теплоэффективные блоки ТЕПЛОБЛОК превосходят существующие аналоги по теплотехническим характеристикам, высокой степенью готовности и эстетической привлекательностью.


Применение теплоэффективных блоков в строительстве приносит заказчику ощутимый экономический эффект. Применение клея, а не цементных растворов, исключает доставку большого количества воды, цемента и песка на стройку, дает постоянно высокое качество кладки, сводит к минимуму тяжелый, не продуктивный ручной труд. Четкие геометрические размеры блока и полная номенклатура позволяет использовать персонал более низкой квалификации для производства кладки стен. Скорость кладки не соизмерима ни с каким другим материалом, тем более, что при возведении стен, нет необходимости в их дальнейшей наружной обработке (отделке и облицовке). Стена просто красится при помощи краскопульт.
При правильной организации труда, квалифицированная бригада из четырех человек может выложить один этаж дома за одни сутки!
Скорость возведения домов из теплоэффективных блоков в несколько раз превосходит скорость строительства домов из любых других материалов.  Теплоэффективный блок с успехом может применяться и при возведении многоэтажных каркасных домов в качестве ограждающего самонесущего материала.

По всем вопросам приобретения теплоэффективных блоков, обращайтесь к нашим менеджерам: (4212) 46-46-62;
 

Теплоэффективность дома из СИП | ПСК «Родной дом» · «Родной дом»

Когда постройка теплосберегающая, Вы экономите на отоплении в 5 раз! 

Теплосберегающие дома и здания обеспечивают комфорт как в морозы, так и в жару, благодаря своей способности сохранять дневное тепло или ночную прохладу. Существенная экономия энергоресурсов способствует сохранению ваших финансов и окружающей среды. На сегодняшний день именно технология ЭкоПан (SIP) позволяет строить самые энергоэффективные дома на рынке, причем с существенным снижением расходов на строительство. Вложения в теплозащиту окупаются уже в течение первых 3-5 лет эксплуатации. 

Сравните требуемую толщину стены

Для достижения одинаковых показателей теплоэффективности
различных строительных материалов требуется разная толщина стен.

Сравните теплопотери строительных материалов

Теплопотери при температурных показателях условиях Сибири -39ºС составляют: 

Дома из SIP-панелей с толщиной стен 174 мм  4580 Вт.
Дома из бруса при толщине в 150 мм – 9010 Вт.
Дома из пенобетона при такой же толщине стены — 18250 Вт

Зимой, даже в сильные морозы, дом, построенный по SIP-технологии, протапливается всего за несколько часов, в то время как на прогрев каменного дома требуется один-два дня. На прогрев дома из SIP в среднем требуется в 30 раз меньше энергии, чем на прогрев аналогичного по площади кирпичного дома, это серьезная экономия.  

Сравните наглядно утечки тепла

Съемка телевизором наглядно показывает все утечки тепла в домах, построенных по традиционным технологиям. Также здесь можно увидеть, что дом, построенный из SIP-панелей, сохраняет всё тепло внутри, экономя Ваши расходы.

На первом снимке ровный синий тон стены означает равномерную и весьма низкую температуру (т.е. стена держит тепло очень хорошо). 
На втором снимке яркий красно-желтый цвет говорит о том, что в этих зонах температура стены намного выше, т.е. теплый воздух дома мощным потоком вытекает наружу!
На третьем изображениии видно как тепло сильно утекает через крышу, стены, а также окна и двери.

Стоит отметить, что показатель энергоэффективности нужно учитывать не только зимой. В летнее время за счет низкой теплоотдачи панели в доме хорошо сохраняется прохлада. Это позволяет снизить затраты на кондиционирование помещений. 

Дополнительный способ сбережения тепла

Окна любого дома — серьезный источник теплопотерь.  В домах с толстыми стенами окна похожи на бойницы. Чтобы добиться нормальной освещенности, приходится увеличивать площадь остекления, а это, в свою очередь, приводит к значительному увеличению теплопотерь. Расчеты и наблюдения показывают, что в доме из SIP-панелей при нормальном остеклении на компенсацию теплопотерь через окна расходуется около 6 тыс. кВт·час за год. Это столько же энергии, сколько тратится на горячее водоснабжение, освещение и очистную станцию вместе взятые при постоянном проживании. 

Основные факторы, влияющие на энергоэффективность индивидуальных домов, наглядно демонстрируют, что SIP-технология на сегодняшний день не имеет равноценных аналогов. Она действительно позволяет строить самые теплые дома и в несколько раз снижать стоимость отопления — основную статью расходов на содержание.

Разработанная в Северной Америке, SIP-технология стремительно завоевывает рынок жилья в Европе, Японии и других развитых странах. Их пример убедительно доказывает: будущее за энергоэффективными домами!

Тепловая эффективность — Энергетическое образование

Рисунок 1: Количество работы, произведенной для данного количества тепла, определяет тепловую эффективность системы. [1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая превращается в полезную работу. Тепловой КПД обозначается символом [math]\eta[/math] и может быть рассчитан по уравнению:

[математика]\eta=\frac{W}{Q_H}[/math]

Где:

[math]W[/math] — полезная работа и

[math]Q_H[/math] — общее количество подведенной тепловой энергии от горячего источника. [2]

Тепловые двигатели часто работают с эффективностью от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% термического КПД ([математика]\эта = 1[/математика]) в соответствии со Вторым законом термодинамики. Это невозможно, потому что некоторое количество отработанного тепла всегда производится в тепловом двигателе, что показано на рисунке 1 термином [math]Q_L[/math]. Хотя полная эффективность тепловой машины невозможна, существует много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 Дж тепловой энергии в виде тепла ([math]Q_H[/math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math]W[/math]), то КПД составляет 80J/200J, что имеет эффективность 40%.

Тот же результат можно получить, измерив отработанное тепло двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж и наблюдается 120 Дж отходящего тепла, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основной артикул

Существует максимально достижимая эффективность тепловой машины, которая была выведена физиком Сади Карно.Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается таким

[math]\eta_{max}=1 — \frac{T_L}{T_H}[/math]

Где

[math]T_L[/math] — температура холодной «раковины» и

[math]T_H[/math] — температура теплового резервуара.

Описывает КПД идеализированного двигателя, которого в реальности достичь невозможно. [3] Из этого уравнения следует, что чем ниже температура стока [math]T_L[/math] или выше температура источника [math]T_H[/math], тем больше работы доступно для тепловой машины.Энергия для работы получается за счет уменьшения полной энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для совершения работы. [4]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

Каталожные номера

  1. ↑ Эта фотография была сделана командой Energy Education.
  2. ↑ ТПУБ Механика двигателей. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
  3. ↑ Гиперфизика, Цикл Карно [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
  4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Клейнбах, «Тепло и работа», в Energy: its Use and the Environment , 4th ed. Торонто, Онтарио. Канада: Thomson Brooks/Cole, 2006, ch.4, sec.E, pp.115.

Тепловая эффективность | Определение, примеры и расчет

Идеальная тепловая машина — это воображаемая машина, в которой энергия, извлекаемая в виде тепла из высокотемпературного резервуара, полностью преобразуется в работу.Но согласно утверждению Кельвина-Планка , такой двигатель нарушил бы второй закон термодинамики, потому что в процессе преобразования должны быть потери. Полезная теплота, подводимая к системе, должна быть больше, чем полезная работа, совершаемая системой.

«Невозможно сконструировать устройство, которое работает по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме производства работы и передачи тепла от одного тела».

Формула теплового КПД

В результате этого утверждения мы определяем тепловой КПД , η th 2 th W , к подводимой теплоте при высокой температуре, Q H .

η Th , представляет собой долю тепло , Q H , преобразован на работу . Это безразмерная мера производительности тепловой машины, использующей тепловую энергию, такой как паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания или холодильник. Для холодильных или тепловых насосов тепловой КПД указывает степень, в которой энергия, добавленная в результате работы, преобразуется в чистую выходную тепловую мощность.Поскольку это безразмерное число, мы всегда должны выражать W, Q H и Q C в одних и тех же единицах измерения.

Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q H должна равняться выполненной работе, Вт, плюс теплота, которая должна быть рассеяна как сбросное тепло Q C в окружающую среду. Поэтому мы можем переписать формулу для теплового КПД следующим образом:

Чтобы получить КПД в процентах, мы умножаем предыдущую формулу на 100.Обратите внимание, что η th может быть 100%, только если отработанное тепло Q C равно нулю.

В целом КПД даже лучших тепловых машин довольно низкий. Короче говоря, очень трудно преобразовать тепловую энергию в механическую. Тепловой КПД обычно ниже на 50%, а часто намного ниже. Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветра или гидроэнергетики (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями).Преобразования энергии между тепловой и механической энергией не происходит.

Причины неэффективности

Как уже говорилось, эффективность может варьироваться от 0 до 1. Каждая тепловая машина так или иначе неэффективна. Эту неэффективность можно объяснить тремя причинами.

  • Необратимость процессов . Существует общий теоретический верхний предел эффективности преобразования тепла в работу в любой тепловой машине. Этот верхний предел называется эффективностью Карно .Согласно принципу Карно , ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( тепловой двигатель Карно ), работающий между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами. Например, когда в горячем резервуаре Т горячая 400°С (673К) и Т холодная около 20°С (293К), максимальная (идеальная) эффективность будет: = 1 – Т холодная / Т горячий = 1 – 293/673 = 56%. Но все реальные термодинамические процессы так или иначе необратимы .Они не выполняются бесконечно медленно. Следовательно, тепловые двигатели должны иметь более низкий КПД, чем пределы их эффективности, из-за присущей им необратимости цикла теплового двигателя, который они используют.
  • Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах или реальных тепловых двигателях неэффективность общего цикла частично связана с потерями отдельных компонентов. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение , потери тепла и потери в процессе сгорания вызывают дополнительные потери эффективности.
  • Неэффективность конструкции . Наконец, последний и важный источник неэффективности — это компромиссы , сделанные инженерами при проектировании теплового двигателя (например, электростанции). Они должны учитывать стоимость и другие факторы при проектировании и эксплуатации цикла. В качестве примера рассмотрим конструкцию конденсатора на тепловых электростанциях. В идеале пар, выпускаемый в конденсатор, не должен иметь переохлаждения . Но настоящие конденсаторы предназначены для переохлаждения жидкости на несколько градусов Цельсия, чтобы избежать кавитации на всасывании в конденсатных насосах.Но это переохлаждение увеличивает неэффективность цикла, поскольку для повторного нагрева воды требуется больше энергии.

Тепловой КПД и второй закон

Второй закон термодинамики может быть выражен множеством конкретных способов. Каждое утверждение выражает один и тот же закон. Ниже перечислены три, которые часто встречаются.

Перед этими заявлениями напомним работу французского инженера и физика Николя Леонара Сади Карно .Они продвинули изучение второго закона, сформулировав принцип (также называемый правилом Карно ), определяющий пределы максимальной эффективности, которую может получить любая тепловая машина.

«

Карно» В 1824 году французский инженер и физик, Николя Леонар Сади Карно, продвинулся в изучении второго закона, сформулировав принцип (также называемый правилом Карно ), который определяет пределы максимальной эффективности любой тепловой двигатель можно получить.Короче говоря, этот принцип гласит, что эффективность термодинамического цикла зависит исключительно от разницы температур горячего и холодного резервуаров.

Принцип Карно гласит:

  1. Ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( Тепловая машина Карно ), работающий между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами.
  2. КПД всех реверсивных двигателей ( Тепловые двигатели Карно ), работающих между одними и теми же резервуарами с постоянной температурой, одинаков, независимо от используемого рабочего вещества или особенностей работы.

КПД

1

Формула для этой максимальной эффективности:

, где:

, где:

    3 — это эффективность цикла Carnot, то есть, это соотношение = W / Q H работы, совершаемой двигателем на тепловую энергию, поступающую в систему из горячего резервуара.
  • T C – абсолютная температура (в Кельвинах) холодного резервуара,
  • T H – абсолютная температура (в Кельвинах) горячего резервуара.

«Пример:

В современной угольной электростанции температура пара высокого давления (T горячего ) будет около 400°C (673K), а T холодного , охлаждение температура воды в башне будет около 20°C (293K). Для данного типа силовой установки максимальный (идеальный) КПД будет:

= 1 – Т холодная горячая = 1 – 293/673 = 56%

Надо добавить, а это идеализированная эффективность .Эффективность Карно справедлива для обратимых процессов. Эти процессы не могут быть реализованы в реальных циклах электростанций. Эффективность Карно диктует, что более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Эта особенность справедлива и для реальных термодинамических циклов. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения налагают верхние пределы на такие давления. Электростанции на докритическом топливе, работающем на ископаемом топливе, работали при критическом давлении (т.е., ниже 22,1 МПа) можно достичь КПД 36–40 %. Сверхкритические конструкции, работающие при сверхкритическом давлении (т. е. выше 22,1 МПа), имеют КПД около 43%. Наиболее эффективные и сложные угольные электростанции работают при «сверхкритическом» давлении (т. е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый повторный нагрев для достижения примерно 48% эффективности.

См. также: Сверхкритический реактор

Тепловой КПД тепловых двигателей

В целом КПД даже самых лучших тепловых двигателей довольно низок.Короче говоря, очень сложно преобразовать тепловую энергию в механическую энергию . Тепловой КПД обычно ниже 50%, а часто и намного ниже. Такаиси, Тацуо; Нумата, Акира; Накано, Рёдзи; Сакагути, Кацухико (март 2008 г.). «Подход к высокоэффективным дизельным и газовым двигателям» (PDF). Технический обзор Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Проверено 4 февраля 2011 г. .

Легко произвести тепловую энергию, совершая работу, например, в любом процессе трения. А вот получить работу от тепловой энергии сложнее.Он тесно связан с концепцией энтропии , которая количественно определяет энергию вещества, которое более недоступно для выполнения полезной работы. Например, электричество особенно полезно, поскольку оно имеет очень низкую энтропию (высокоупорядочено) и может быть преобразовано в другие формы энергии очень эффективно . Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветра или гидроэнергетики (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями). Преобразования энергии между тепловой и механической энергией не происходит.

Тепловой КПД различных тепловых двигателей, разработанных или используемых в настоящее время, имеет большой диапазон:

Например:

Транспорт

  • В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловую КПД около 6% . Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля производилось 6 МДж механической энергии.
  • Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД примерно от 25% до 30% .Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.
  • Типичный дизельный автомобильный двигатель работает примерно при от 30% до 35% . В общем, двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
  • В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы-1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По словам Mercedes, их силовой агрегат теперь достигает более чем на 45% и близкого к 50% термического КПД, т.е.е., 45 – 50% потенциальной энергии топлива передается колесам.
  • Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех существующих двигателей внутреннего сгорания. Тихоходные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% . Самый большой дизельный двигатель в мире достигает 51,7%.

Энергетика

  • Преобразование тепловой энергии океана (ПТЭМ). OTEC — это сложная тепловая машина, которая использует разницу температур между более холодными глубинными и более теплыми поверхностными водами для запуска турбины низкого давления.Поскольку разница температур низкая , около 20°C, его тепловая эффективность также очень низкая, около 3% .
  • В современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около одной трети (33%), поэтому 3000 МВт тепловой энергии от реакции деления необходимо для выработки 1000 МВтэ электроэнергии. Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов.Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% не так уж и много. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо гораздо проще, чем получать энергию из ядерного топлива.
  • Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, работающие под критическим давлением (т. е. ниже 22,1 МПа), могут достигать КПД 36–40%.
  • Сверхкритические  водяные реакторы считаются многообещающими разработками для атомных электростанций из-за их высокого теплового КПД (~45 % по сравнению с~33 % для современных легководных реакторов).
  • Сверхкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при сверхкритическом давлении (т.е. выше 22,1 МПа), имеют КПД около 43% . Наиболее эффективные и сложные угольные электростанции работают при «сверхкритическом» давлении (т.е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый повторный нагрев для достижения примерно 48% КПД.
  • Современные Газотурбинные установки с комбинированным циклом (ПГУ), в которых термодинамический цикл состоит из двух циклов электростанции (например,g., цикл Брайтона и цикл Ренкина) может достигать термического КПД около 55% , в отличие от паросиловой установки с одним циклом, эффективность которой ограничена примерно 35-45%.

Иногда можно найти сравнения между двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями или обычными электростанциями и солнечными электростанциями. В этих случаях часто сравнивают несопоставимые характеристики. Конечно, электромобили имеют КПД около 70%, но в данном случае мы не говорим о тепловом КПД, потому что электродвигатель не является тепловым двигателем.

В электромобилях энергия претерпевает следующие преобразования: из накопленной химической энергии в электрическую энергию и из электрической энергии в механическую энергию . Но в этом случае большая часть его запасенной химической энергии была произведена другим тепловым двигателем (например, угольной электростанцией), и вы должны включить его.

В бензиновых автомобилях энергия претерпевает следующие преобразования: из запасенной химической энергии в тепловую энергию и из тепловой энергии в механическую энергию .Автомобильные двигатели — это тепловые двигатели, которые могут потреблять первичные источники энергии.

Тепловой КПД цикла Брайтона

Предположим, что идеальный цикл Брайтона описывает работу постоянного давления тепловой машины . Современные газотурбинные двигатели и воздушно-реактивные двигатели также следуют циклу Брайтона. Этот цикл состоит из четырех термодинамических процессов:

  1. Идеальный цикл Брайтона состоит из четырех термодинамических процессов.Два изоэнтропических процесса и два изобарических процесса.

    Изэнтропическое сжатие – в компрессор всасывается окружающий воздух, сжатый (1 → 2). Работа, необходимая для компрессора, определяется как Вт C = H 2 – H 1

    2 .

  2. Изобарический подвод тепла – затем сжатый воздух проходит через камеру сгорания, сжигая топливо и нагревая воздух или другую среду (2 → 3).Это процесс с постоянным давлением, поскольку камера открыта для входа и выхода. Чистая тепловая добавлена ​​дана Q Add = H — H — H — H — H 2 2 2
  3. Истентропная экспансия — нагретый, под давлением воздух затем расширяется на турбине , отдает свою энергию. Работа, проделанная турбиной, дается W T = H = H 4 4 — H — H 3 3 3
  4. Изобарический отказ от теплого тепла — Остаточное тепло должно быть отвергнуто закрыть цикл.Чистая жара отклонена дана Q Re = H = H 4 — H — H — H 1 1

Как можно увидеть, мы можем описать и рассчитать (например, термодинамическая эффективность) такие циклы (аналогично циклу Ренкина ) с использованием энтальпий.

Для расчета теплового КПД цикла Брайтона (один компрессор и одна турбина) инженеры используют первый закон термодинамики в терминах энтальпии, а не внутренней энергии.

Первый закон с точки зрения энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении термин Vdp представляет собой работу процесса потока. Эта работа,   Vdp , используется для открытых проточных систем , таких как турбина или насос , в которых имеется «dp» , т. е. изменение давления. В контрольной громкости изменений нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии .

Есть выражения с точки зрения более знакомых переменных, таких как температура и давление:

DH = C P DT + V (1-αt) DP

где C p теплоемкость при постоянном давлении и α — (кубический) коэффициент теплового расширения. Для Идеальный газ αt = 1 А следовательно:

DT

при постоянном давлении , Enthalpy Membery равняется Energy Передано из окружающей среды через тепло:

Процесс изобарического (VDP = 0):

DH = DQ → Q = H 2 — H 1 → H 2 — Н 1 = С р 2 — Т 1 )

При постоянной энтропии , т.е.т. е. в изоэнтропическом процессе изменение энтальпии равно работе потока , выполненной системой или системой:

Изэнтропический процесс (dQ = 0):

2 — Н 1 → H 2 — Н 1 = С р 2 – T 1 ) ) Идеальный термодинамический цикл Брейтона.Два изоэнтропических процесса и два изобарических процесса.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или конкретную переменную путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе чаще, чем саму энтальпию. Термический КПД такого простого цикла Брайтона для идеального газа и с точки зрения удельных энтальпий теперь может быть выражен в терминах температур: цикл точно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, которые обычно используются на большинстве тепловых электростанций .Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ или ядерное деление .

АЭС (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция за одним исключением. Источником тепла на АЭС является ядерный реактор . Как это обычно бывает на всех обычных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электроэнергию.

Как правило, на большинстве атомных электростанций работают многоступенчатые конденсационные паровые турбины . В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (пар, близкий к насыщенному – х = 0,995 – точка С на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6°С) из парогенератора и отводит его в влагоотделитель-подогреватель. (точка Д). Во избежание повреждения лопаток паровой турбины паром низкого качества пар должен быть подогрет повторно. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где он расширяется (точки E-F).Отработанный пар затем конденсируется в конденсаторе. Он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровые турбины, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) эта тепловая машина имела бы КПД Карно

= 1 – T холодного /T горячего = 1 – 315/549 = 42.6%

где температура горячего резервуара 275,6°С (548,7К), температура холодного резервуара 41,5°С (314,7К). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы как-то необратимы. Они не выполняются бесконечно медленно. В реальных устройствах (турбинах, насосах и компрессорах) механическое трение и потери тепла вызывают дополнительные потери эффективности.

Для расчета теплового КПД простейшего цикла Ренкина (без повторного нагрева) инженеры используют первый закон термодинамики в терминах энтальпии , а не в терминах внутренней энергии.

Первый закон с точки зрения энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении термин Vdp представляет собой работу процесса потока. Эта работа,   Vdp , используется для открытых проточных систем , таких как турбина или насос , в которых имеется «dp» , т. е. изменение давления. В контрольной громкости изменений нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии . при постоянном давлении , энтальпия Enthalpy равняется Energy передается из окружающей среды через тепло:

Isobaric Process (VDP = 0):

DH = DQ → Q = H 2 — H — H — H 1

на постоянной энтропии , то есть в Истентропном процессе Enthalpy Member равен процесса расхода , выполненной на или системой:

Истентропный процесс (DQ = 0):

DH = VDP → W = H 2 2 — H 1

Это очевидно, и оно будет очень полезно при анализе используемых термодинамических циклов в энергетике, т.е.э., в циклах Брайтона и Ренкина.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или конкретную переменную путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе чаще, чем саму энтальпию. Он указан в паровых таблицах вместе с удельным объемом и удельной внутренней энергией. Термический КПД такого простого цикла Ренкина в единицах удельной энтальпии будет равен:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД можно использовать данные из паровых таблиц .

На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВтэ электроэнергии необходимо 3000 МВт тепловой энергии реакции деления. Причина кроется в относительно низкой температуре пара ( 6 МПа ; 275,6°С). Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов.Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% не так уж и много. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо гораздо проще, чем получать энергию из ядерного топлива. Докритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при критическом давлении (т. е. ниже 22,1 МПа), могут достигать КПД 36–40%.

Тепловой КПД двигателя — обзор

ЖЦ водородных путей

Водород — это безуглеродный энергоноситель, который можно использовать для питания FCEV.Электромобили на водородных топливных элементах (HFCEV) не производят выхлопных газов, кроме водяного пара, и более энергоэффективны, чем обычные бензиновые ICEV, которые ограничены тепловым КПД двигателя Карно.

HFCEV использует технологию протонообменной мембраны топливных элементов для преобразования химической энергии водорода в электричество. Хотя батарея не обязательно нужна в качестве источника питания для HFCEV, она используется для накопления избыточной электроэнергии во время ездового цикла, что позволяет топливному элементу работать с максимальной эффективностью.Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, которая приводит в движение колеса HFCEV (Wind, 2016).

Хотя современные технологии транспортных средств на основе бензина обеспечивают более короткое время заправки и большую дальность пробега по сравнению со многими технологиями электромобилей, они производят выбросы выхлопных газов в виде выбросов парниковых газов и определенных загрязнителей воздуха. Электромобили HFCEV могут достигать времени заправки и дальности пробега, аналогичных показателям бензиновых автомобилей ICEV, при этом устраняя выбросы выхлопных газов и сокращая выбросы парниковых газов WTW (Elgowainy and Wang, 2012).Одной из основных проблем использования водорода в качестве топлива является его низкая молекулярная масса, что приводит к низкой объемной плотности энергии и, следовательно, требует сжатия до высокого давления (700 бар) с последующим предварительным охлаждением до — 40°C для обеспечения быстрой дозаправки и сравнимого запаса хода. к бензиновым автомобилям. Хотя для хранения водорода на борту FCEV в различных состояниях были изучены различные технологии хранения, резервуар типа IV на 700 бар является единственным вариантом хранения, используемым в настоящее время компаниями-производителями HFCEV.

Хотя работа HFCEV считается чистой и не связана с выбросами выхлопных газов, производство, доставка и заправка водородом могут привести к выбросам перед транспортным средством. Эти выбросы возникают в основном в результате таких процессов, как производство и сжижение, а также сжатие и предварительное охлаждение на заправочных станциях. На рис. 6A и B схематически показаны пути доставки газообразного и жидкого водорода соответственно.

Рис. 6. (A) Схема путей доставки газообразного водорода.(B) Схема пути доставки жидкого водорода.

Анализ WTW по водороду охватывает четыре основных этапа: (1) производство молекул водорода, (2) доставка водорода на заправочную станцию, (3) подача водорода в бортовой резервуар транспортного средства посредством серии компрессий процессы предварительного охлаждения и (4) потребление водорода двигателем FCEV для приведения в движение его колес. Водород обычно производится при низком давлении (∼ 20 бар) и сжимается для передачи с завода на распределительный терминал.На распределительном терминале водород дополнительно сжимается в автоцистернах или сжижается и загружается в криогенные автоцистерны для доставки на заправочные станции (Reddi et al., 2016b).

В настоящее время водород в основном производится путем паровой конверсии метана (ПМР) ПГ. Во-первых, метан внутри ПГ реагирует с паром при высоких температурах (700–1000°C) и давлении 3–25 бар в присутствии катализатора с образованием водорода, монооксида углерода и относительно небольшого количества диоксида углерода.Эта стадия является реакцией пар-метанового риформинга. На втором этапе, «реакции конверсии водяного газа», монооксид углерода и водяной пар реагируют в присутствии катализатора с образованием диоксида углерода и дополнительного количества водорода. На третьем этапе, известном как «адсорбция при переменном давлении», диоксид углерода и другие примеси удаляются, оставляя водород высокой чистоты (> 99,999%). Выбросы парниковых газов от скважины до производства заводов SMR составляют примерно 11 кг CO 2 e на кг H 2 при энергоэффективности процесса SMR 72% (на основе более низкой теплотворной способности) (Argonne, 2016).

Водород может быть получен из различных неископаемых и возобновляемых источников сырья и, таким образом, может снизить зависимость транспортного сектора от нефтяного топлива, одновременно повышая надежность энергоснабжения и снижая выбросы парниковых газов. Водород можно производить путем газификации биомассы с использованием тепла, пара и кислорода для преобразования биомассы в водород и другие продукты без сжигания. Биомасса, включая древесное и другое целлюлозное сырье, считается возобновляемым ресурсом для производства водорода.Процесс газификации превращает органическое вещество при высоких температурах в присутствии контролируемого количества кислорода и пара в монооксид углерода, водород и диоксид углерода. Подобно этапам, выполняемым в процессе SMR, монооксид углерода далее реагирует с паром с образованием диоксида углерода и дополнительного количества водорода (Reddi et al., 2016a).

Водород также может быть получен с помощью электролиза воды, при котором используется электричество для расщепления молекул воды на водород и кислород. Тем не менее, производство водорода путем электролиза с использованием электроэнергии из текущей схемы выработки электроэнергии в энергосистеме США (показанной на рис.7 ) может не снизить выбросы парниковых газов WTW по сравнению с базовыми бензиновыми двигателями ICEV, поскольку большая часть электроэнергии в настоящее время вырабатывается из ископаемых видов топлива, таких как уголь и природный газ. Углеродоемкость средней сети электросетей США, включая потери при передаче и распределении, составляет 0,54 кг CO 2 e на кВтч электроэнергии (Argonne, 2016). Электролиз является устойчивым вариантом производства водорода, когда электричество производится из возобновляемых источников энергии, таких как солнце и ветер. Кроме того, поскольку возобновляемая электроэнергия, вырабатываемая солнцем и ветром, носит прерывистый характер, использование электролизеров для производства и хранения водорода дает возможность сбалансировать проблемы спроса и предложения с сетью.

Рис. 7. Средняя структура выработки электроэнергии в сети США, 2015 г.

Аргонн (Аргоннская национальная лаборатория) (2016 г.). Модель GREET: парниковые газы, регулируемые выбросы и использование энергии в транспортной модели. Доступно по адресу: https://greet.es.anl.gov/index.php.

Доставка водорода включает использование энергии для сжатия или сжижения, передачи, распределения и дозаправки. Водород может быть сжат до умеренного давления около 250–500 бар и загружен в автоцистерны для доставки на заправочные станции, как показано на рис.6А . Трейлер для баллонов может перевозить до 1000 кг сжатого газообразного водорода при нагрузочном давлении 500 бар в баллонах типа III или IV. Затем полуприцеп доставляется на заправочную станцию, где его разгружают или заменяют другим пустым полуприцепом. Трубчатый трейлер на заправочной станции подает водород в газовый компрессор, который сжимает водород в буферную систему хранения высокого давления под давлением около 900 бар. Удельная энергия сжатия находится в диапазоне 2,5–4 кВтч/кг H 2 и зависит от степени сжатия на ступень, количества ступеней и изоэнтропического КПД на ступень (DOE, 2015).Система охлаждения на заправочной станции предварительно охлаждает водород до — 40 °C, что позволяет быстро подавать его в баки для хранения транспортных средств. Потребление энергии на охлаждение находится в диапазоне 0,3–0,5 кВтч/кг H 2 (DOE, 2015).

Водород также может поставляться на заправочные станции в виде криогенной жидкости (при −253°C) при низком давлении (2–10 бар) с помощью цистерн с криогенной жидкостью. Водород может быть сжижен с помощью охлаждения жидким азотом с последующей серией процессов сжатия и расширения.Для сжижения водорода требуется значительное количество электроэнергии (около 11–15 кВтч/кг H 2 ), что равно или превышает одну треть химической энергии водорода (33 кВтч) (DOE, 2016). Жидкий водород хранится в больших криогенных резервуарах для загрузки в криогенные танкеры для доставки на заправочные станции. Жидкостный танкер доставляет полезную нагрузку около 4 метрических тонн водорода на одну или несколько заправочных станций. Криогенный насос на заправочной станции повышает давление водорода до уровня выше 700 бар, нагревает водород до − 40 °C через теплообменник и подает его в бак транспортного средства, как показано на рис.6Б . Выбросы ПГ, связанные с требуемыми уровнями энергии для сжижения, сжатия и предварительного охлаждения, зависят от сочетания выработки электроэнергии, используемой для сжатия.

На рис. 8 показан вклад в выбросы парниковых газов WTW нескольких текущих путей HFCEV по сравнению с обычными бензиновыми двигателями ICEV. Выбросы ПГ WTW состоят из двух компонентов, представляющих этапы WTP и PTW. Экономия топлива HFCEV, доступных в настоящее время на рынке, составляет от 50 до 68 миль на галлон. Отношение топливной экономичности FCEV к экономичности базового бензинового ICEV составляет приблизительно 2.1 для автомобилей среднего класса на основе одинаковых характеристик (например, ускорение, максимальная скорость и т. д.). Выбросы парниковых газов, показанные на рис. 8 , отражают 26 миль на галлон для бензиновых ICEV и 55 миль на галлон для HFCEV.

Рис. 8. Потенциал сокращения выбросов парниковых газов различными водородными путями для HFCEV.

На рис. 8 также показаны четыре пути получения водорода, включая центральный и распределенный SMR для производства водорода, с улавливанием и хранением углерода (CCS) и без него. Также показано влияние электроэнергии, используемой для сжижения и сжатия/предварительного охлаждения на заправочных станциях.При централизованном производстве водорода SMR подача жидкости и газа снижает выбросы парниковых газов WTW на милю на 11% и 39% соответственно по сравнению с базовым бензиновым двигателем ICEV. Благодаря распределенному производству водорода на месте с помощью SMR выбросы парниковых газов WTW могут быть снижены на 36% по сравнению с уровнями бензина ICEV. Центральный путь производства SMR с CCS может снизить выбросы парниковых газов WTW на 73% по сравнению с бензиновыми ICEV. Хотя жидкий путь доставки имеет преимущество более высокой плотности энергии и более благоприятной экономики, эти преимущества достигаются за счет увеличения выбросов парниковых газов по сравнению с соответствующим газообразным водородным путем, главным образом из-за энергоемкости процесса сжижения, как упоминалось ранее.

Централизованное производство водорода с использованием газификации биомассы (например, тополя) и доставка водорода в газообразной форме с помощью трубчатых трейлеров снижает выбросы парниковых газов WTW на милю на 79% по сравнению с базовыми бензиновыми двигателями ICEV. Низкие выбросы ПГ при использовании биомассы в основном объясняются поглощением CO 2 из атмосферы на этапе роста биомассы, что компенсирует выделение CO 2 в процессе газификации для производства водорода. Используя энергию ветра для производства водорода посредством электролиза воды и доставки водорода с помощью газовых труб, выбросы парниковых газов WTW могут быть сокращены на 88% по сравнению с выбросами обычных бензиновых ICEV.Эти возобновляемые технологии для производства водорода демонстрируют потенциал для значительного сокращения выбросов парниковых газов для HFCEV; однако они требуют дальнейших исследований и разработок, чтобы быть экономически конкурентоспособными с существующей технологией ММР.

Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания

Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания ошеломляюще неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют даже 50-процентного теплового КПД. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией.Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.

А автомобили с бензиновым двигателем еще более неэффективны, значительно более неэффективны.

Хотя может показаться, что транспортное средство, которое преобразует только 50% тепловой энергии, вырабатываемой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят впустую около 80% энергии, вырабатываемой при сгорании топлива.Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% произведенной энергии через выхлопную трубу или отдают эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.

Причины низкой эффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.

«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс высвобождает тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию», — сообщает X-Engineer.орг. Но большая часть произведенной энергии теряется. Большая часть энергии, вырабатываемой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.

В то время как даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют несколько длинного объяснения термодинамики, объяснение длины фида в Твиттере легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом снаружи двигателя определяет тепловой КПД — то есть неэффективность двигателя внутреннего сгорания.

Что такое тепловой КПД и каковы законы термодинамики

КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД.Тепловой КПД является следствием термодинамики. Существует и определение, и формула для теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «тепловой КПД — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».

Строгое определение теплового КПД, согласно словарю Merriam-Webster Dictionary, это «отношение тепла, используемого тепловой машиной, к общему количеству тепловых единиц в потребленном топливе». Более практичное непрофессиональное определение теплового КПД заключается в том, что количество энергии, вырабатываемой при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.

Однако формула для теплового КПД может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия – это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, переданного в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на вход является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое идет на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, с поршнями.

Существуют два закона термодинамики, определяющие тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.

Первый закон термодинамики

Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики выход энергии не может превышать энерговклад. Другими словами, энергия, которую вырабатывает двигатель — будь то потерянная энергия или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше энергетического потенциала топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Первый закон термодинамики интуитивно понятен.Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги в качестве метафоры для первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей с доллара.

В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону термодинамики невозможно достичь 100% тепловой эффективности.

Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовывать почти 100% поступающего тепла в работу. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло.”

Чрезвычайно большой процент энергии, вырабатываемой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии является причиной перегрева двигателя. Нагрев двигателя происходит за счет кондуктивной теплопередачи. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, обогреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в самом двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.

Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выбрасывается выхлопными газами, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.

Теплота — энергия — потери и теорема Карно

Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии.Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — факт, доказанный теоремой Карно.

Предел Карно — это количество энергии, выделяемой при сгорании, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже Предел Карно .

Какова тепловая эффективность бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?

Термический КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. В то время как есть компании, стремящиеся улучшить тепловую эффективность бензиновых двигателей, чрезвычайно сложно даже сравнить эффективность сгорания со старыми дизельными двигателями. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить тепловую эффективность своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны в преобразовании сожженного топлива в полезную энергию.Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем имеют тепловой КПД около 20 процентов.

Дизель

обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, который, по утверждению компании, имеет максимальный тепловой КПД 38 процентов, тепловой КПД, который «больше, чем у любого другого серийного двигателя внутреннего сгорания».

Другой взгляд на тепловую эффективность связан с затратами на топливо. На каждый доллар бензина, который покупает человек, уходит почти 80 центов в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически приводят в движение бензиновый двигатель. Несмотря на то, что это поразительно мало, даже обычные дизельные двигатели стоят не менее 40 центов за доллар при механическом использовании.

Хотя 60 центов из каждого доллара дизельного топлива теряется из-за термической неэффективности, это все же в два раза лучше, чем средний бензиновый двигатель.

Почему тепловой КПД дизельного двигателя больше, чем у бензинового двигателя

В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария, считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, тогда как дизельные двигатели могут достигать термического КПД почти 50%. «Двигатели с искровым зажиганием современного производства работают с тормозным тепловым КПД (КПД) порядка 30–36 % [12], двигатели с воспламенением от сжатия давно признаны одними из самых эффективных силовых агрегатов, текущий КПД дизелей может достигать до 40–47%.

Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сгорании на обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях по шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи дорогой гибридной системы.

Тепловой КПД и коэффициент сгорания

В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда она достигает точки, в которой топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.

Коэффициент сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8:1 до 12:1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если октановое число топлива не высокое, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, а не сжатия в результате воздействия искры.

Дизельные двигатели

имеют гораздо более высокую степень сжатия. На это есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели являются двигателями сжатия.Компрессия — это то, что заставляет дизель в камере сгорания взрываться. В компрессионном двигателе нет искры, которая воспламеняет дизель. Кроме того, дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, поскольку дизель является более стабильным топливом. Для воспламенения дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14:1 до 25:1.

Решения для повышения эффективности двигателя

Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения теплового КПД двигателя.Ограничения конструкции и ограничения технологий не позволяют владельцам вносить значительные улучшения в транспортное средство в отношении теплового КПД. Тем не менее, возможно улучшение эффективности сгорания.

Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, применительно к тяжелому топливу с высокой плотностью энергии — дизельному топливу, мазуту, бункерному топливу и т. д. — существуют технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания.Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводородов, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.

Топлива с низкой плотностью энергии, такие как бензин и природный газ, обычно имеют постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелыми видами топлива, поскольку они состоят из более мелких молекул углеводородов с короткой цепью. Но более крупные и длинные молекулы углеводородов и молекулярные цепи в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха.Без воздуха углеводороды не воспламеняются.

Топливные катализаторы являются одним из простейших средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в составе благородных металлов разрушают кластеры топлива, деполяризуя внутренние заряды, которые заставляют углеводороды собираться вместе.

Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания и, следовательно, эффективность использования топлива на 3–8 % в вездеходах. На тяжелой технике увеличение топливной экономичности еще более заметно.При добавлении топливного катализатора Rentar в печь или котел, работающий на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% и более.

Несмотря на то, что трудно предотвратить растрату энергии, присущую всем двигателям внутреннего сгорания, повысить эффективность использования топлива все же возможно. Пока мы не сможем производить двигатели с более высоким тепловым КПД, лучшее, что мы можем сделать, — это повысить эффективность сгорания.

Как рассчитать тепловую эффективность цикла Ренкина | by Aswini Palo

Цикл Ренкина:

Прежде чем рассчитать тепловую эффективность цикла Ренкина, давайте разберемся с циклом Ренкина.Цикл Ренкина — это теоретический цикл, в котором тепловая энергия превращается в работу. Цикл Ренкина разработан Уильямом Джоном Маккорном Ренкином в 19 веке. Он широко используется во всех видах паровых двигателей.

Роли

1–2: Работа, выполняемая турбиной

2–3: Отвод тепла в градирне

3–4: Насос

4–1: Подвод тепла в котле

Рабочая жидкость в цикле Ренкина – вода . Вода проходит следующий процесс в Цикле. C-D, D-F, F-G, G-C являются определяющими процессами в цикле Ренкина.

  1. Процесс C-D: Это изоэнтропический процесс, при котором вода перекачивается из низкого давления в высокое с помощью центробежного насоса. Это процесс, при котором энтропия не изменяется, а вода остается только в жидкой фазе.
  2. Процесс D-F: Это происходит внутри котла. Вода меняет свою фазу с жидкой на паровую.
  3. Процесс F-G: Процесс происходит в паровой турбине. Пар из котла поступает в турбину и подвергается процессу изоэнтропического расширения. Энергия, запасенная в водяном паре, преобразуется в кинетическую энергию в турбине.
  4. Процесс G-C: это процесс изобарического сжатия, происходящий в конденсаторе. Здесь происходит фазовый переход рабочего тела от пара к воде.

Расчет теплового КПД цикла Ренкина:

Термический КПД цикла Ренкина: Термический КПД цикла Ренкина представляет собой отношение работы, произведенной паровой турбиной, уменьшенной за счет работы насоса, к поступающему теплу. энергии от котла.

Тепловая энергия топлива передается рабочему телу i.е. воды. Теплотворная способность, поглощаемая водяным паром, может быть рассчитана по следующей формуле:

Qin = m (hF — hD)

Перегретый пар, произведенный котлом, затем поступает в паровую турбину. Затем тепловая энергия водяного пара преобразуется в кинетическую энергию, показанную линией F-G на изображении выше. Уменьшение энтальпии можно использовать для расчета величины энергии движения, производимой паровой турбиной, по следующей формуле:
Wout = m (hF — hG)

Пар, выходящий из паровой турбины, поступает в конденсатор конденсироваться обратно в жидкую фазу.Здесь тепловая энергия не преобразуется в кинетическую энергию, поскольку энергия используется для преобразования воды в пар (скрытая теплота). По убыванию энтальпии (линия G-C) можно рассчитать тепловую энергию конденсированной воды по следующей формуле:

Qout = m (hG — hC)

котел для повышения давления. Линия C-D показывает, что вода не испытывает большого увеличения энтальпии. Это означает, что энергия, отдаваемая воздуху, не слишком значительна.Значения поступающей энергии можно рассчитать по следующей формуле:

Win = m (hD — hC)
Итак, теперь мы можем рассчитать тепловой КПД, используя следующую формулу: )/Тепло, поступившее в систему]

Формула эффективности цикла Ренкина

Тепловой КПД = [(Выход работы — Подведенная работа)/Тепло, введенное в систему]

Эффективность цикла Ренкина

Эффективность цикла Ренкина = [ м (чФ) — hG) м (hD — hC) ] / [m (hF — hD) ]

Эпизод 606: Тепловые двигатели и тепловой КПД

Второй закон термодинамики

Энергетика и теплофизика

Эпизод 606: Тепловые двигатели и тепловой КПД

Урок за 16-19

  • Время активности 65 минут
  • Уровень Передовой

Этот материал подходит только для некоторых спецификаций, поэтому тщательно проверьте его, прежде чем покрывать.

Краткое содержание урока

  • Обсуждение и демонстрация: Паровые двигатели (10 минут)
  • Задание для учащихся: Изучение теплового КПД (20 минут)
  • Обсуждение: Второй закон и эффективность (15 минут)
  • Рабочие примеры и вопросы учащихся: Расчет эффективности (20 минут)
Обсуждение и демонстрации: Паровые двигатели

Если у вас есть модель паровой машины, было бы здорово показать ее и рассмотреть изменения в способе накопления энергии при ее использовании.Подчеркните, что энергия рассеивается ( впустую ), когда, например, пар, выходящий из трубы, нагревает окружающую среду. Если у вас нет паровой машины, попробуйте найти видео или другие ресурсы, связанные с электростанцией. Во всех случаях в топливе (и кислороде) должна храниться энергия, которая (обычно) генерирует пар.

Пар приводит в действие турбину, затем конденсируется и возвращается в котел. Значительная часть энергии, хранящейся термически в паре, не доводится до турбин и затем тратится впустую на нагрев теплоносителя в конденсаторе.Затем этот хладагент сам может использоваться в качестве источника энергии (в комбинированных теплоэлектростанциях), повышая общую эффективность электростанции.

Учебное задание: Изучение теплового КПД

Используйте Интернет или печатную информацию от энергетических компаний, чтобы узнать об эффективности различных типов электростанций. Используйте их, чтобы обсудить значение определения КПД = полезная энергия из общей энергии в × 100 %.

Понятно, что без слова полезного КПД был бы 100% во всех системах.(Почему? Потому что сохраняется энергия )

Могут ли учащиеся придумать систему, эффективную на 100 %? Если нет, подтолкните их к размышлению о системах, в которых отопление является предполагаемым изменением, таких как радиатор или электрический камин. С чем можно сравнить угольный пожар (потеря энергии в дымоходе)?

Могут ли они составить количественную диаграмму Санки для электростанции?

Эпизод 606-1: КПД электростанции (Word, 30 КБ)

Эпизод 606-2: Диаграммы Санки (Word, 158 КБ)

Обсуждение: Второй закон термодинамики и эффективность

В конечном счете, обоснование второго закона термодинамики опирается на понимание энтропии.Без полноценного математического доказательства, что неуместно на этом уровне, приходится опираться на утверждение и обоснование разумом. Простая формулировка Второго закона состоит в том, что у вас не может быть процесса, единственным результатом которого является использование энергии, хранящейся в тепле, для выполнения работы. Если бы вы могли, вы могли бы построить машину, которая извлекала бы энергию из воздуха и ездила бы без бензина. Это ограничение является фундаментальным, а не просто практическим ограничением.

На электростанции рабочая жидкость (вода или пар) расширяется через турбины и приводит их в действие.После этого расширенный пар необходимо вернуть при низком давлении путем охлаждения, чтобы совершить цикл – вернуть его в то состояние, в котором он был до поступления в котел. Отсюда необходимость охлаждения пара в конденсаторе. Эта энергия бесполезна. Таким образом, хотя мы можем использовать часть энергии, хранящейся в тепле, для совершения работы, мы не можем извлечь все ее .

Рассмотрение циклов, подобных циклам на электростанции ( тепловая машина ), показывает, что максимальный КПД такого устройства определяется выражением T горячий  −  T холодный T горячий .В этом уравнении T в K, абсолютная температура .

Наконец, вам может понадобиться упомянуть тепловой насос. Это просто тепловая машина, работающая в обратном направлении. Работа переводит энергию, запасенную термически в холодном резервуаре, в энергию, запасенную термически в горячем. Детали не нужны, но холодильник тому пример. Тепловые насосы иногда используются для обогрева домов в холодном климате. Они могут быть очень эффективными.

Примеры работы: Расчет эффективности

1 Рассчитайте максимальный теоретический тепловой КПД угольной электростанции, которая нагревает пар до 510 °С и охлаждает его в конденсаторе при 30  °С.

Ответ:

Максимальная эффективность = T горячий − − T холодный T горячий

Максимальная эффективность = (510+273) K – (30+273) K(510+273) K

Максимальная эффективность = 0,61, или 61%.

2 Температура газов в двигателе автомобиля при сгорании 1800°С. Выхлоп выбрасывается при 80°С.

Рассчитайте максимальный теоретический тепловой КПД двигателя.

Ответ:

Максимальный теоретический КПД = T горячий − − T холодный T горячий

Максимальный теоретический КПД = (1800+273) K − − (80+273) K(1800+273) K

Максимальная эффективность = 0,83, или 83%.

Конечно, в обоих случаях фактическая эффективность будет меньше. Студенты должны подумать, почему.

Эпизод 606-3: Вопросы учеников; расчет эффективности (Word, 27 КБ)

Тепловой КПД

Загрузка

 

Тепловой КПД — это способ измерения КПД двигателя внутреннего сгорания.Двигатели внутреннего сгорания в целом по своей сути неэффективны, и даже продвинутые современные двигатели F1 не являются исключением. Они очень неэффективны, когда речь идет о преобразовании мощности топливно-воздушной смеси в мощность на задних колесах. Для двигателя F1 это значение (до изменения технических правил 2014 года) обычно составляло около 30% и ниже. Это означает, что если типичный двигатель F1 выдает чуть менее 560 кВт (около 750 л.с.) на динамометрическом стенде, около 1500 кВт (или потенциально 2000 л.с.) энергии теряется, в основном из-за перегрева.После изменения правила в 2014 году цифра в 30% изменилась, перейдя со старых двигателей внутреннего сгорания 2,6 V8 без наддува с тепловым КПД около 30% на 40% с новыми двигателями 1,6 V6, и это огромный шаг вперед.
Между тем, после 2015 года технология повысила КПД двигателей до 47% и обеспечила исторический максимум мощности — и все это с ДВС, ограниченным потреблением топлива со скоростью всего 100 кг/ч, что означает, что 50% потенциальной мощности чем можно получить из единицы перерабатываемого бензина.Цель 100%, но это далеко. В начале двигателя внутреннего сгорания КПД 12% был стандартным. За 130 лет этот показатель увеличился до 29%, что соответствует уровню двигателей F1 V8 в 2013 году. С тех пор он вырос до 50%.

Турбогибридные «силовые агрегаты» V6, представленные в Формуле-1 в 2014 году, являются шедеврами технологии, которые сделали революционный шаг вперед в производительности двигателя внутреннего сгорания. За 130 лет эффективность увеличилась с 12% до 29%, ежегодный прирост равен 0.68%. За те 3 года, что у Формулы-1 появились эти новые силовые агрегаты, они повысили эффективность почти на 50%. Ежегодный прирост 20%. Это означает, что скорость прогресса в отношении эффективности увеличилась более чем на 98% с тех пор, как были привлечены инженеры F1.


Mercedes лидирует в Формуле-1 с момента введения действующих правил в 2014 году и на протяжении большей части этого периода имеет значительное преимущество в мощности над соперниками. В презентации для СМИ на заводе двигателей команды в Бриксворте Энди Коуэлл, руководитель двигателя Mercedes, объяснил, что текущий 1.6-литровый турбогибридный двигатель V6 в настоящее время производит больше мощности, чем 3,0-литровый двигатель V10 Mercedes 2005 года выпуска, более 900 л.
«Это самый мощный двигатель Формулы-1, который мы создали, мощностью более 900 л. автомобильные технологии там и новые появляющиеся технологии там в отношении MGU-H.
Коуэлл выявил, что силовой агрегат Мерседес в настоящее время достигает более 45 и близкого к 50 процентам теплового КПД, т. ERS работает на полную мощность
Для сравнения, двигатели V8 до 2014 года имели тепловую эффективность 29 процентов, а первая версия двигателя Mercedes V6 с турбонаддувом в 2014 году имела тепловую эффективность 40 процентов.


Вообще говоря, если вы хотите найти КПД двигателя внутреннего сгорания, вы, как правило, смотрите на дизельные двигатели на огромных кораблях, которые работают со скоростью 100 об/мин или около того.Они настолько медленные, что у них очень мало трения, и они настолько стабильны в работе, что их можно настроить и оптимизировать для работы в одном цикле для достижения оптимальной эффективности. Этот одноцелевой двигатель, разработанный исключительно для экономии топлива, работает так в течение нескольких дней, и никто его не трогает, и у них есть большие установки для рекуперации тепла размером с дом. Это своего рода эталон для теплоэффективного двигателя внутреннего сгорания.

Энергия, теряемая через выхлопные газы, представляет собой очень важный источник энергии, который можно использовать для повышения эффективности и, следовательно, выходной мощности двигателя.Чтобы сделать двигатели более энергоэффективными и более актуальными для серийной автомобильной промышленности, FIA и производители двигателей договорились изменить формат двигателей на 2014 год и последующие годы. Согласованная конфигурация представляет собой 6-цилиндровый двигатель объемом 1600 куб.см -V- 90 градусов с ограничением числа оборотов 15 000 об/мин. При желании сохранить уровни мощности, аналогичные двигателям спецификации 2013 года, разрешены системы турбонаддува и рекуперации энергии. Эти двигатели являются самыми впечатляющими двигателями в истории отрасли, с неслыханными показателями теплового КПД и впечатляющими показателями мощности в лошадиных силах при таком количестве используемого топлива.Чтобы узнать больше о новых двигателях (силовых агрегатах) 2014 года, ознакомьтесь с моей статьей здесь.
Внедрение такой технологии в Формуле-1, безусловно, будет иметь большое значение для повышения экологичности автоспорта и, кроме того, для разработки технологии, которая окажется полезной для применения в дорожных автомобилях.

Это изображение и энергетическая дорожка предназначены для современных бензиновых дорожных автомобилей. Автомобиль F1 примерно на 25% эффективнее! (зеленая часть диаграммы).

Например, тепло смазочного масла рассеивает около 120 кВт энергии, система водяного охлаждения — около 160 кВт, а гидравлика — около 30 кВт.
30% оставшейся энергии теряется за счет выхлопных газов и тепла, а до 10% доступной энергии приходится на несгоревшее топливо. Небольшой процент превращается в характерный звук болида F1. И это трудная задача, поскольку шум по определению является растрачиваемой энергией, и весь смысл гибридных двигателей состоит в том, чтобы регенерировать как можно больше того, что традиционно было бы потраченной впустую энергией.

Рассеять это тепло в окружающем воздухе – настоящая задача для дизайнеров. Хотя теплообменники гоночного автомобиля чрезвычайно эффективны, их способность охлаждать двигатель зависит от «производительности воздушной стороны».По сути, насколько большую массу воздуха вы можете пропустить через радиатор для данной области в данный момент. Это зависит от создания высоких скоростей воздуха во впускных каналах радиатора. Однако, как правило, скорость воздуха в каналах радиатора (боковых понтонах болида Ф1) составляет всего 10-15% от скорости автомобиля. Так что даже если машина едет со скоростью 300 км/ч, воздух в воздуховодах скорее всего только при 30-40 км/ч. Эти данные более или менее одинаковы для всех гоночных автомобилей без дополнительного вентилятора. Для семейного автомобиля скорость воздуха еще меньше, но помогает вентилятор охлаждения.
Если проектировщик сделает отверстия воздухозаборников охлаждающих каналов большими, это улучшит охлаждение, но увеличит сопротивление. Если они слишком малы, перегрев будет проблемой. Они должны найти правильный баланс между охлаждением и аэродинамическими характеристиками, потому что чем больше воздуха они направляют через радиаторы, тем менее эффективной становится общая аэродинамика. Больше воздуха они направляют через радиаторы, меньше воздуха остается для нижней части кузова, диффузора и задних крыльев.

Они не могут сделать внутреннюю аэродинамику такой же чистой и эффективной, как внешнюю.Фактически, переключение между минимальным и максимальным охлаждением может снизить прижимную силу на целых 5%, что означает дефицит времени круга примерно в 0,4 с на средней трассе. Поскольку воздухозаборник определяется в основном на ранних стадиях проектирования автомобиля F1 и не может быть легко заменен в течение сезона (воздухозаборник очень часто проектируется как часть зоны бокового удара), поток воздуха, проходящий через боковые понтоны, контролируется различными конфигурациями патрубок радиатора, а машина F1 имеет множество различных возможных конфигураций, чтобы справиться с любыми условиями.Конфигурация, используемая в конкретном контуре, определяется в зависимости от температуры окружающей среды, «факторов контура», таких как степень использования полного газа и пределы температуры, при которых может работать двигатель.

Обычно температура масла составляет около 100°C и выше, а вода находится под давлением 3,75 бар (ограничено FIA), что позволяет поднять точку кипения примерно до 120°C. Использование воды с такой более высокой температурой означает, что требуется меньший поток воздуха через радиаторы, и таким образом они могут улучшить аэродинамические характеристики.
Этот выбор влечет за собой штраф: каждые дополнительные 5 ° C температуры воды, которые они используют, что позволяет уменьшить выпускные отверстия радиатора, лишают двигатель более 1 л.с. Однако важность аэродинамики в современной Ф1 означает, что они продолжают выделять значительные ресурсы и время в аэродинамической трубе на охлаждение и внутреннюю аэродинамику. Это лучше всего иллюстрирует тот факт, что штраф с точки зрения аэродинамической эффективности, который они должны принять за падение температуры автомобиля на 10 ° C, на 80% меньше, чем всего четыре года назад.Это доказывает, что внутренняя аэродинамика болида F1 так же важна, как и внешняя аэродинамика. Только мы этого не видим.

После изменения формулы двигателя в 2014 году в двигателях F1 используются две отдельные гибридные технологии. Один восстанавливает энергию от задней оси во время торможения, сохраняет ее в аккумуляторе и повторно использует при ускорении. Вторая и совершенно новая технология рекуперирует энергию с вала турбокомпрессора и используется для двух целей. Он может быть применен непосредственно к задним колесам для увеличения ускорения, и его можно использовать для запуска электродвигателя на турбонагнетателе, который раскручивает его, поэтому вы получаете немедленное ускорение, как только водитель нажимает на акселератор.Это почти полностью устраняет задержку отклика дроссельной заслонки, присущую двигателям с турбонаддувом, известную как «турбо-лаг». Вот где двигатели F1 важны для дорог.

Сочетание этих двух гибридных технологий привело к тому, что двигатели F1 теперь имеют тепловой КПД более 40%, что лучше, чем у дорожных дизельных двигателей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.