Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД ) - характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии , полученному системой; обозначается обычно η («эта») . η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах . Математически определение КПД может быть записано в виде:
X 100 %,
где А - полезная работа, а Q - затраченная энергия.
В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.
КПД теплово́го дви́гателя - отношение совершённой полезной работы двигателя , к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле
,где - количество теплоты , полученное от нагревателя, - количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника T 1 и холодного T 2 , обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно ; этот предельный КПД равен
.Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «коэффициент полезного действия», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.
КПД котлов
Основная статья: Тепловой баланс котла
КПД котлов на органическом топливе традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания ; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара . В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания , учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.
Тепловые насосы и холодильные машины
Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность иногда получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу; аналогичным образом холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается на организацию процесса.
Эффективность таких тепловых машин характеризуют холодильный коэффициент (для холодильных машин) или коэффициент трансформации (для тепловых насосов)
,где - тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах) или передаваемое к горячему (в тепловых насосах); - затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия). Наилучшими показателями производительности для таких машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент
,где , - температуры горячего и холодного концов, . Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент всё же может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр. электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.
Литература
- Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс. - Дрофа, 2005. - 191 с. - 50 000 экз. - ISBN 5-7107-9459-7 .
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Коэффициент полезного действия" в других словарях:
коэффициент полезного действия - Отношение отдаваемой мощности к потребляемой активной мощности. [ОСТ 45.55 99] коэффициент полезного действия КПД Величина, характеризующая совершенство процессов превращения, преобразования или передачи энергии, являющаяся отношением полезной… … Справочник технического переводчика
Или коэффициент отдачи (Efficiency) характеристика качества работы любой машины или аппарата со стороны ее экономичности. Под К. П. Д. подразумевается отношение количества полученной от машины работы или энергии от аппарата к тому количеству… … Морской словарь
- (к.п.д.), показатель эффективности действия механизма, определяемый как отношение работы, совершаемой механизмом, к работе, затраченной на его функционирование. К.п.д. обычно выражают в процентах. Идеальный механизм должен был бы иметь к.п.д =… … Научно-технический энциклопедический словарь
Современная энциклопедия
- (кпд) характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования энергии; определяется отношением полезно использованной энергии (превращенной в работу при циклическом процессе) к суммарному количеству энергии,… … Большой Энциклопедический словарь
- (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением т) полезно использованной энергии (Wпол) к суммарному кол ву энергии (Wсум), полученному системой; h=Wпол… … Физическая энциклопедия
- (кпд) отношение полезно используемой энергии W п, напр. в виде работы, к общему кол ву энергии W, получаемой системой (машиной или двигателем), W п/W. Из за неизбежных потерь энергии на трение и др. неравновесные процессы для реальных систем… … Физическая энциклопедия
Отношение полезно затрачиваемой работы или получаемой энергии ко всей затраченной работе или соответственно потребляемой энергии. Напр., К. п. д. электродвигателя отношение механ. мощности, им отдаваемой, к подводимой к нему электр. мощности; К.… … Технический железнодорожный словарь
Сущ., кол во синонимов: 8 кпд (4) отдача (27) плодотворность (10) … Словарь синонимов
Коэффициент полезного действия - – величина, характеризующая совершенство любой системы по отношению к какому либо протекающему в ней процессу превращения или передачи энергии, определяемая как отношение полезной работы, к работе, затраченной на приведение в действие.… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Коэффициент полезного действия - (кпд), числовая характеристика энергетической эффективности какого либо устройства или машины (в том числе тепловой машины). Кпд определяется отношением полезно использованной энергии (т.е. превращенной в работу) к суммарному количеству энергии,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Коэффициент полезного действия (КПД) - термин, которые можно применить, пожалуй, к каждой системе и устройству. Даже у человека есть КПД, правда, наверно, пока не существует объективной формулы для его нахождения. В этой статье расскажем подробно, что такое КПД и как его можно рассчитать для различных систем.
КПД-определение
КПД - это показатель, характеризующий эффективность той или иной системы в отношении отдачи или преобразования энергии. КПД - безмерная величина и представляется либо числовым значением в диапазоне от 0 до 1, либо в процентах.
Общая формула
КПД обозначается символом Ƞ.
Общая математическая формула нахождения КПД записывается следующим образом:
Ƞ=А/Q, где А - полезная энергия/работа, выполненная системой, а Q - энергия, потребляемая этой системой для организации процесса получения полезного выхода.
Коэффициент полезного действия, к сожалению, всегда меньше единицы или равен ей, поскольку, согласно закону сохранения энергии, мы не можем получить работы больше, чем потрачено энергии. Кроме того, КПД, на самом деле, крайне редко равняется единице, так как полезная работа всегда сопровождается наличием потерь, например, на нагрев механизма.
КПД теплового двигателя
Тепловой двигатель - это устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. В тепловом двигателе работа определяется разностью количества теплоты, полученного от нагревателя, и количества теплоты, отданной охладителю, а потому КПД определяется по формуле:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, где Qн - количество теплоты, полученное от нагревателя, а Qх - количество теплоты, отданное охладителю.
Считается, что высочайший КПД обеспечивают двигатели, работающие по циклу Карно. В данном случае КПД определяется по формуле:
- Ƞ=T1-T2/T1, где Т1 - температура горячего источника, T2 - температура холодного источника.
КПД электрического двигателя
Электрический двигатель - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, так что КПД в данном случае - это коэффициент эффективности устройства в отношении преобразования электрической энергии в механическую. Формула нахождения КПД электрического двигателя выглядит так:
- Ƞ=P2/P1, где P1 - подведенная электрическая мощность, P2 - полезная механическая мощность, выработанная двигателем.
Электрическая мощность находится как произведение тока и напряжения системы (P=UI), а механическая - как отношение работы к единице времени (P=A/t)
КПД трансформатора
Трансформатор - это устройство, которое преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, сохраняя частоту. Кроме того, трансформаторы также могут преобразовывать переменный ток в постоянный.
Коэффициент полезного действия трансформатора находится по формуле:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), где P0 - потери режима холостого хода, PL - нагрузочные потери, P2 - активная мощность, отдаваемая нагрузке, n - относительная степень нагружения.
КПД или не КПД?
Стоит заметить, что помимо КПД существует еще ряд показателей, которые характеризуют эффективность энергетических процессов, и иногда мы можем встретить описания типа - КПД порядка 130%, однако в данном случае нужно понимать, что термин применен не совсем корректно, и, вероятнее всего, автор или производитель понимает под данной аббревиатурой несколько иную характеристику.
К примеру, тепловые насосы отличаются тем, что они могут отдавать больше теплоты, чем расходуют. Так, холодильная машина может отвести от охлаждаемого объекта больше теплоты, чем затрачено в энергетическом эквиваленте на организацию отвода. Показатель эффективности холодильной машины называется холодильным коэффициентом, обозначается буквой Ɛ и определяется по формуле: Ɛ=Qx/A, где Qx - тепло, отводимое от холодного конца, A - работа, затраченная на процесс отвода. Однако иногда холодильный коэффициент называют и КПД холодильной машины.
Интересно также, что КПД котлов, работающих на органическом топливе, рассчитывается обычно по низшей теплоте сгорания, при этом он может получиться больше единицы. Тем не менее, его все равно традиционно называют КПД. Можно определять КПД котла по высшей теплоте сгорания, и тогда он всегда будет меньше единицы, однако в данном случае неудобно будет сравнивать показатели котлов с данными других установок.
Содержание:Каждая система или устройство обладает определенным коэффициентом полезного действия (КПД). Данный показатель характеризует эффективность их работы по отдаче или преобразованию какого-либо вида энергии. По своему значению КПД является безмерной величиной, представляемой в виде числового значения в пределах от 0 до 1, или в процентном отношении. Эта характеристика в полной мере касается и всех типов электрических двигателей.
Характеристики КПД в электродвигателях
Электрические двигатели относятся к категории устройств, выполняющих преобразование электрической энергии в механическую. Коэффициент полезного действия для данных устройств определяет их эффективность в деле выполнения основной функции.
Как найти кпд двигателя? Формула КПД электродвигателя выглядит так: ƞ = Р2/Р1. В этой формуле Р1 является подведенной электрической мощностью, а Р2 - полезной механической мощностью, вырабатываемой двигателем. Значение электрической мощности (Р) определяется формулой Р = UI, а механической - Р = А/t, как отношение работы к единице времени.
Коэффициент полезного действия обязательно учитывается при выборе электродвигателя. Большое значение имеют потери КПД, связанные с реактивными токами, снижением мощности, нагревом двигателя и другими негативными факторами.
Превращение электрической энергии в механическую сопровождается постепенной потерей мощности. Потеря КПД чаще всего связана с выделением тепла, когда происходит нагрев электродвигателя в процессе работы. Причины потерь могут быть магнитными, электрическими и механическими, возникающими под действием силы трения. Поэтому в качестве примера лучше всего подходит ситуация, когда электрической энергии было потреблено на 1000 рублей, а полезной работы произведено всего лишь на 700-800 рублей. Таким образом, коэффициент полезного действия в данном случае составит 70-80%, а вся разница превращается в тепловую энергию, которая и нагревает двигатель.
Для охлаждения электродвигателей используются вентиляторы, прогоняющие воздух через специальные зазоры. В соответствии с установленными нормами, двигатели А-класса могут нагреваться до 85-90 0 С, В-класса - до 110 0 С. Если температура двигателя превышает установленные нормы, это свидетельствует о возможном скором .
В зависимости от нагрузки КПД электродвигателя может изменять свое значение:
- Для холостого хода - 0;
- При 25% нагрузке - 0,83;
- При 50% нагрузке - 0,87;
- При 75% нагрузке - 0,88;
- При полной 100% нагрузке КПД составляет 0,87.
Одной из причин снижения КПД электродвигателя может стать асимметрия токов, когда на каждой из трех фаз появляется разное напряжение. Например, если в 1-й фазе имеется 410 В, во 2-й - 402 В, в 3-й - 288 В, то среднее значение напряжения составит (410+402+388)/3 = 400 В. Асимметрия напряжения будет иметь значение: 410 - 388 = 22 вольта. Таким образом, потери КПД по этой причине составят 22/400 х 100 = 5%.
Падение КПД и общие потери в электродвигателе
Существует множество негативных факторов, под влиянием которых складывается количество общих потерь в электрических двигателях. Существуют специальные методики, позволяющие заранее их определить. Например, можно определить наличие зазора, через который мощность частично подается из сети к статору, и далее - на ротор.
Потери мощности, возникающие в самом стартере, состоят из нескольких слагаемых. В первую очередь, это потери, связанные с и частичным перемагничиванием сердечника статора. Стальные элементы оказывают незначительное влияние и практически не принимаются в расчет. Это связано со скоростью вращения статора, которая значительно превышает скорость магнитного потока. В этом случае ротор должен вращаться в строгом соответствии с заявленными техническими характеристиками.
Значение механической мощности вала ротора ниже, чем электромагнитная мощность. Разница составляет количество потерь, возникающих в обмотке. К механическим потерям относятся трения в подшипниках и щетках, а также действие воздушной преграды на вращающиеся части.
Для асинхронных электродвигателей характерно наличие дополнительных потерь из-за наличия зубцов в статоре и роторе. Кроме того, в отдельных узлах двигателя возможно появление вихревых потоков. Все эти факторы в совокупности снижают КПД примерно на 0,5% от номинальной мощности агрегата.
При расчете возможных потерь используется и формула КПД двигателя, позволяющая вычислить уменьшение этого параметра. Прежде всего учитываются суммарные потери мощности, которые напрямую связаны с нагрузкой двигателя. С возрастанием нагрузки, пропорционально увеличиваются потери и снижается коэффициент полезного действия.
В конструкциях асинхронных электродвигателей учитываются все возможные потери при наличии максимальных нагрузок. Поэтому диапазон КПД этих устройств достаточно широкий и составляет от 80 до 90%. В двигателях повышенной мощности этот показатель может доходить до 90-96%.
Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …
Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.
– это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.
Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.
Подробнее о потерях
Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:
1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.
2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.
3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %
Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.
ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!
Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.
Если вспомнить формулу то получается:
У какого двигателя самый большой КПД?
Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.
Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:
1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.
2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.
Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.
О топливной эффективности дизеля
ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.
Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.
Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.
Потенциальный КПД двигателя Стирлинга выше, чем у других сравниваемых с ним двигателей, однако на совершенствование двигателей с разомкнутым циклом было затрачено значительно больше усилий. Результаты сравнения различных двигателей по их КПД не имеют большого распространения, поскольку, как уже отмечалось ранее, изготовители автомобилей и те, кто эксплуатируют стационарные установки, как правило, предпочитают сравнивать двигатели по удельному эффективному расходу топлива. Хотя этот параметр прямо связан с КПД,
I - предельные КПД двигателя Стирлинга; 2-предел прочности Материала; 3 - предельные КПД двигателя с принудительным зажиганием; 4- потенциально достижимые КПД Двигателя Стирлинга; 5 - двигатели внутреннего сгорания; 6 - паровая Машина; 7- двигатель Стирлинга.
Тем не менее полезно рассмотреть и результаты измерения непосредственно КПД. Прекрасной иллюстрацией достигнутых в настоящее время рабочих характеристик двигателей и потенциальных значений их КПД является график, составленный в работе и представленный на рис. 1.110 в несколько измененном виде.
Достигнутые к настоящему значения КПД экспериментальных двигателей Стирлинга показаны на рис. 1.111.
КПД ЦИКЛЭ Карно, %
Рис. 1.111. Реальные КПД экспериментальных двигателей Стирлинга по данным НАСА, Rpt CR-I59 63I, перестроенным авторами.
1 - данные фирмы «Дженерал моторе»; 2 - данные фирмы «Юнайтед Стирлинг» (Швеция); 3 - данные фирм «Форд» и «Филипс».
Б. Удельный эффективный расход топлива
Прежде чем сравнивать конкретные двигатели по удельному эффективному расходу топлива, желательно было бы собрать и обобщить больше информации о различии в рабочих характеристиках сравниваемых двигателей, используя совокупность результатов по целому ряду типичных двигателей каждого типа. Необходимо заметить, что большое количество результатов, относящихся к двигателям Стирлинга, получено на динамометрических стендах, а не при испытаниях автомобилей, а некоторые данные получены на основе расчета на ЭВМ моделей, обладающих достаточной степенью достоверности. Результаты испытаний автомобилей вплоть до 1980 г. не совпадали с достаточной степенью точности с расчетными данными, однако намечали пути реализации потенциальных возможностей двигателя. Удельные эффективные расходы топлива различных энергосиловых установок, предназначенных для использования в качестве автомобильных источников энергии, сравниваются на рис. 1.112 .
На этом графике наглядно видны преимущества двигателя Стирлинга во всем диапазоне рабочих режимов. Поскольку удельный эффективный расход топлива рассматривается и как функция скорости, и как функция нагрузки, то на рис. 1.113 и 1.114 приведены соответствующие кривые для полного диапазона рабочих скоростей при 50 и 20 % полной нагрузки соответственно.
Преимущества двигателя Стирлинга весьма наглядны и в этом случае. Исходные данные для этих обобщающих графиков
1-дизель с нормальной системой впуска; 2 - дизель с турбонаддувом; 3-бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным аарядом; 4-одновальная газовая турбина; 5-двухвальнан газовая турбина; 6 - двигатель Стирлинга.
X * ^ с
■е-ь в -0.2
J____ I___ I___ L
Спорость/Максимальная скорость
Рис. 1.113. Сравнение удельных эффективных расходов топлива различных энергосиловых установок при 50 % нагрузки .
1-одновальная газовая турбина; 2-двухвальная газовая турбина; 3 - дизель с турбонаддувом; 4-бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 5-двигатель Стирлинга.
Были взяты из работы . Поскольку цены на топливо продолжают повышаться, удельный эффективный расход становится все более определяющей характеристикой, и, хотя не прекращаются активный поиск и исследования по другим источникам энергии, нет сомнения, что в обозримом будущем углеводородные топлива останутся основным ее источником. Более того,
Даже в условиях астрономического роста цен снижение потребления топлива будет незначительным. Опыт стран Запада показывает, что с начала нефтяного кризиса в 70-х годах цены на нефть оказывали незначительное влияние на потребление топлива. Исследование, опубликованное в 1980 г. министерством энергетики США, показало, что при повышении цен на топливо даже на 100 % потребление топлива уменьшится только на
II %. Если на потребление топлива не слишком сильно влияют экономические факторы, то маловероятно, что оно понизится, уступая политическому давлению. Влияние официальных регламентации, направленных на экономию топлива, также проблематично.
Очевидно, что снижение удельного эффективного расхода топлива может способствовать уменьшению потребления топлива, поскольку уменьшение расхода топлива на 10 % позволило бы сэкономить, например, для США свыше 305 млн. л импортируемой сырой нефти в сутки, что соответствует экономии свыше 5 млрд. долл. в год. Однако в целом это очень небольшая экономия. Поэтому, хотя снижение удельного эффективного расхода топлива является важным, оно не дает решения проблемы энергии для большинства стран. Источники энергии, заменяющие жидкие углеводороды, могут дать более ощутимый эффект в обозримом будущем, и проблемы, связанные с этим вопросом, будут рассмотрены позже. Кроме того, необходимо отметить, что доступность энергии имеет такое же существенное значение, как и ее стоимость.
В. Развиваемая мощность
Обоснованное сравнение по этому показателю может быть сделано только на основе отношения массы к развиваемой мощности, и сравниваемые двигатели должны быть предназначены для одной и той же области применения. Далее необходимо сравнивать значения отношения массы всей энергосиловой установки к развиваемой мощности. Энергосиловая установка, предназначенная для использования на автомобиле, будет включать агрегаты трансмиссии, аккумуляторные батареи, систему охлаждения и т. д. Для двигателей, отобранных для сравнения, эти данные представлены на рис. 1.115 и 1.116.
В обоих случаях, как видно из графиков, двигатель Стирлинга не обладает явными преимуществами, однако необходимо учитывать, что при разработке двигателей Стирлинга до сих пор не уделялось большого внимания оптимизации отношения мощности к массе, что и отразилось на представленных результатах. Нельзя рассчитывать на то, что для такой оптимизации имеются большие возможности, с другой стороны, было бы неверно утверждать, что достигнутые результаты - предел. При выполнении программы разработки двигателей в США, по которой к 1984 г. было намечено достичь стадии начала производства, предпринимаются большие усилия по снижению массы двигателя. При этом следует учитывать, что, как показано в табл. 1.7, в силу присущих им рабочих характеристик двигатели Стирлинга (как и одновальные газовые турбины) не должны иметь те же значения развиваемой мощности, что и другие двигатели, и поэтому могут иметь меньшую массу, чем существующие автомобильные двигатели.
Еще один фактор, который необходимо принять во внимание,- это размеры двигателя данной мощности. Этот фактор важен не только с точки зрения компактности, но, например, при установке на судне с точки зрения потери полезного объема трюмов. Установлено, что двигатель Стирлинга занимает
Рис. 1.115. Соотношение между массой двигателя и развиваемой им мощностью для энергосиловых установок различных типов .
1- дизель с нормальной системой впуска;
2- двигатель Стирлинга; 3-дизель с турбо - наддувом; 4 - бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и слоистым зарядом; 5 - бензиновый двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом; 6 - двухвальная газовая турбина; 7- одновальная газовая турбина.
Рис. 1.116. Соотношение между массой установки и развиваемой ею мощностью для энергосиловых установок различных типов .
1 - дизель с нормальной системой впуска; 2 - двигатель Стирлинга; 3 - дизель с турбо - наддувом; 4 -бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем и слоистым зарядом; Г» -бензиновый двигатель с принудительным зажиганнем н гомогенным зарядом; 6-роторный двигатель с принудительным зажиганнем; 7-двухвальная газовая турбина; 8 - одно - иальная газовая турбина.
Примерно такое же пространство, что и эквивалентный дизель . Более свежие данные позволяют составить сводную таблицу значений отношения мощности к занимаемому объему для разных двигателей мощностью 78-126 кВт (табл. 1.8).
|
Таблица 1.8. Отношение мощности двигателя Р к объему V, Занимаемому энергосиловой установкой |
Из таблицы следует, что двигатели с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом все еще превосходят по этому показателю все другие двигатели, однако перспективные двигатели со слоистым зарядом не будут иметь такого неоспоримого преимущества, как двигатели с гомогенным зарядом. Если в двигателях Стирлинга и газовых турбинах найдут применение керамические компоненты, то ситуация может резко измениться. При современном уровне технического прогресса двигатель Стирлинга в целом превосходит дизельные двигатели.
Изменения крутящего момента двигателя Стирлинга в зависимости от скорости и давления уже рассматривались ранее в сравнении с другими энергосиловыми установками. При использовании этого двигателя на автомобиле особенности его характеристик крутящий момент - скорость особенно благоприятны с точки зрения эффективного ускорения автомобиля и способствуют упрощению и удешевлению агрегатов трансмиссии. Однако для полноты картины необходимо сказать несколько слов о циклических колебаниях крутящего момента. В литературе сообщается, что двигатель Стирлинга отличается более плавными изменениями крутящего момента по сравнению с другими двигателями возвратно-поступательного действия. «Плавный» означает, по-видимому, что изменения крутящего момента с изменением угла поворота кривошипа этого двигателя сравнительно малы. Мы намеренно употребили слово «по-видимому», посколь
ку, когда спрашивают, что в точности означает термин «плавный», мы не в состоянии дать однозначного определения. Этот вопрос подробно рассматривается в гл. 2. Здесь достаточно будет отметить, что изменения крутящего момента в зависимости от угла поворота кривошипа у многоцилиндрового двигателя Стирлинга меньше, чем, например, у двигателя с принудительным зажиганием (рис. 1.117).
Меньшие колебания крутящего момента означают также, что колебания угловой скорости у двигателя Стирлинга также существенно меньше, чем у других двигателей. Это утверждение относится, разумеется, к двигателям без маховиков. Практически это означает, что двигатели Стирлинга можно комплектовать менее массивным маховиком и что пуск двигателя Стирлинга требует меньших механических усилий. Далее, благодаря малым циклическим колебаниям момента и скорости вращения двигатели Стирлинга могут оказаться более подходящими для автономных электрогенераторов.
Эти утверждения, однако, нуждаются в проверке, поскольку, хотя отношение пикового крутящего момента е< его среднему значению у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга без маховика близко к 1,1, для одноцилиндрового двигателя Стирлинга это значение увеличивается до 3,5, что выглядит не так уж многообещающе. Тем не менее у четырехцилиндрового двигателя Стирлинга это отношение такое же, как у восьмицилиндрового двухтактного дизеля, и наполовину меньше, чем у четырехцилиндрового четырехтактного дизеля.
Оценка стоимости всегда затруднительна, а ее прогноз с учетом будущих разработок весьма неточен. Однако несомненно, что такая оценка необходима для сравнения альтернативных двигателей, если при этом учитывать наиболее дорогостоящие компоненты. Стоимость двигателя Стирлинга приблизительно в 1,5-15 раз выше, чем эквивалентного дизеля. Такая оценка сделана на основе технической литературы; она приводилась на технических конференциях и совещаниях. На первый взгляд эта оценка кажется необоснованной, но, скорее всего.
Она верна, и это станет ясно из дальнейшего изложения. Бездоказательные утверждения о предполагаемой стоимости, как правило, не имеют смысла, но, к сожалению, такие утверждения делаются во многих публикациях. Однако в настоящее время благодаря программам, выполняемым по заказу министерства энергетики США, стали доступными результаты более подробных исследований в этой области.
Стоимость может определяться различными факторами, из которых основными являются:
1) затраты труда;
2) материалы;
3) капитальное оборудование;
4) производственное оборудование;
5) эксплуатация и техническое обслуживание;
6) разработка конструкции.
Этот список ни в коей мере не является исчерпывающим. Многие составляющие стоимости непосредственно зависят от массовости производства. Хотя это и очевидно, не мешает еще раз повторить это утверждение, поскольку подобным аспектом оценки стоимости пренебрегают во многих публикациях. Зависимость экономики от масштабов выпуска продукции может означать, что двигатель одного типа дороже другого при мелкосерийном выпуске, но дешевле при увеличении объема продукции. Необходимо принимать во внимание и область применения двигателя. Например, стоимость автомобильного двигателя составляет только небольшую часть общей стоимости автомобиля, поэтому при сравнении стоимости различных двигателей необходимо учитывать, что существенное различие в стоимости двигателей может и не повлиять заметно на стоимость автомобиля при установке этих двигателей. Эту особенность можно проиллюстрировать простым расчетом. Если принять для примера, что стоимость двигателя составляет 10 % общей стоимости автомобиля, то при стоимости автомобиля 6000 долл. двигатель будет стоить 600 долл. Предположим, что другой двигатель вдвое дороже, т. е. стоит 1200 долл.; тогда полная стоимость автомобиля будет 6600 долл., т. е. только на 10 % выше, и покупатель, возможно, предпочтет уплатить немного большую цену за более подходящий для него автомобиль.
Прежде чем рассматривать стоимость и издержки в условиях промышленного производства, нам хотелось бы на основе собственного опыта рассмотреть эволющию стоимости при создании или покупке опытного образца двигателя Стирлинга или двигателя этого типа, предназначенного для исследовательских целей. Мощность таких двигателей будем считать ограниченной значением 100 кВт. Цена такого двигателя при покупке с учетом уровня цен 1981 г. будет около 6700 долл./кВт. Одна - I о, если двигатель построен той же организацией, которая будет его использовать, или изготовлен сторонней организацией по детально разработанной документации и с помощью машинного проектирования, его стоимость будет заключаться в пределах;Ю00-3500 долл./кВт. По мере того как двигатель Стирлинга будет становиться более массовым и менее «исследовательским», его стоимость будет резко падать. Один из изготовителей небольших двигателей Стирлинга (менее 1 кВт) считает, что при производстве 1000 таких двигателей в год стоимость одного двигателя по сравнению с его стоимостью при индивидуальном изготовлении может уменьшиться в 30 раз.
Такая зависимость стоимости от масштабов производства подтверждается недавними исследованиями ряда двигателей, работающих на солнечной энергии, выполненными Лабораторией реактивных двигателей (США) . Было проведено сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины в модификациях, рассчитанных на использование солнечной энергии. Газовая турбина была специально сконструирована фирмой «Гарретт», а двигатель Стирлинга был взят из серии, выпускаемой фирмой «Юнайтед Стерлинг». Результаты проведенных исследований, приведенные к уровню цен и обменному курсу валюты 1981 г., приведены в табл. 1.9.
Таблица 1.9. Зависимость стоимости от объема выпуска (сравнение двигателя Стирлинга и газовой турбины)
Суммарная удельная стоимость, долл./кВг
Суммарная удельная стоимость включает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, затрат^ на капитальное оборудование и инструмент. Влияние, оказываемое на стоимость объемом производства, хорошо видно из представленных данных. Суммарная удельная стоимость газовой турбины с увеличением объема выпуска уменьшается в 3 раза, в то время как тот же показатель двигателя Стирлинга уменьшается более чем в 6 раз. При малом объеме выпуска двигатель Стирлинга более чем на 50 % дороже газовой турбины, а при годовом выпуске 400 000 двигателей - на 30 % дешевле. Для рассматриваемых целей объем выпуска 400 000 двигателей в год представляется несколько завышенным, однако для автомобильных двигателей такой объем можно считать обычной нормой .
Потенциальные изготовители двигателей Стирлинга в большей степени заинтересуются предполагаемой стоимостью этих двигателей, предназначенных для использования на автомобилях. Стоимость изготовления, приведенная в табл. 1.10, учиты-
|
Таблица 1.10. Стоимость изготовления автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.) |
Вает издержки на оплату рабочей силы, стоимость материалов, капитального оборудования и инструмента и во многом аналогична по своей структуре стоимости, подсчитанной для солнечных двигателей. Однако в автомобильном варианте двигатели имеют более развитую конструкцию, чем в варианте солнечного двигателя. Для двигателя Стирлинга и для газовой турбины в отличие от обычных двигателей требуются различные специальные материалы. Разумеется, это в значительной степени вопрос снабжения и конъюнктуры, так что если бы двигатель Стирлинга или газовая турбина были бы «обычными» двигателями, то материалы для них могли бы иметь меньшую стоимость, поскольку горнодобывающая промышленность и сталеплавильная промышленность были бы ориентированы на производство этих материалов, а материалы для производства двигателей с принудительным зажиганием и дизелей стали бы «специальными». Более того, специальные материалы часто требуют соответствующего специального производственного оборудования, что способствует добавочному росту стоимости. С учетом применяемых в настоящее время в автомобильной промышленности материалов и производственного оборудования следует ожидать, что с точки зрения стоимости обычные двигатели будут предпочтительнее. Чтобы прояснить этот аспект формирования стоимости изготовления, в табл. 1.10 приведены стоимости двигателей двух значений мощности (75 и 112 кВт) и указаны также процентные доли общей стоимости, приходящиеся на материал и производственное оборудование.
Потребители двигателей интересуются продажными ценами, а не стоимостью изготовления, что и не удивительно. Поэтому в табл. 1.11 представлены продажные цены автомобильных двигателей при годовом выпуске на уровне 400 ООО шт. Там же указана разница в цене по сравнению с обычным бензиновым двигателем с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом (ГЗБ).
|
Мощность двигателя 75 кВт Мощность двигателя 112 кВт Таблица 1.11. Продажная цена автомобильных двигателей при объеме выпуска 400 000 шт./год (в ценах 1981 г.)
|
С точки зрения стоимости изготовления и продажной цены двигатели Стирлинга дороже других двигателей, хотя при благоприятных для них объеме выпуска и области применения они могут стать экономически более выгодными, чем их конкуренты. Однако совершенно ясно, что с увеличением мощности двигателей Стирлинга и объема их производства они станут с экономической точки зрения все более конкурентоспособными. Взаимосвязь между составляющими стоимости, рассмотренными в настоящем разделе, показана на рис. 1.118.
Распределение суммарной стоимости двигателя Стирлинга с косой шайбой фирмы «Форд» по элементам конструкции, составляющим энергосиловую установку, приведено в табл. 1.12 для годового объема выпуска 400 000 шт. .
Наибольшую относительную стоимость имеют теплообменники, и фирма искала возможности снизить ее приблизительно до 17 % за счет совершенствования конструкции и технологии изготовления , пока ее программа совершенствования двигателей Стирлинга не прекратила свое существование.
Даже если для двигателя Стирлинга будут применяться менее дорогие материалы и будет достигнут соответствующий объем производства, то и в этом случае вряд ли двигатель Стирлинга будет дешевле, чем, скажем, двигатель с принудительным зажиганием и гомогенным зарядом. Однако, как уже говорилось выше, потребитель, возможно, будет готов пойти на дополнительные расходы ради преимуществ, которые будут связаны с этим двигателем. Если удастся реализовать потенциальные возможности двигателя по экономии топлива и смазочного масла и увеличению установленной долговечности, то снижение стоимости эксплуатации двигателя Стирлинга может повлечь за собой экономию суммарных затрат на приобретение и эксплу-
атацню двигателя, что на потребителя должно произвести большее впечатление, чем соображения охраны окружающей среды и преобразования энергии. Особое внимание на такую экономию должны обратить в Западной Европе, где «экономичные» автомобили с низким расходом топлива становятся все более популярными, хотя первоначальная стоимость таких автомобилей ненамного меньше, чем более роскошных, но менее экономич-
Ных автомобилей. Интересно, что на рынке подержанных автомобилей «экономичный» автомобиль перепродается часто по более высокой цене, чем его «собратья» более высокого класса. Расчет общей рентабельности, которой можно ожидать от двигателя Стирлинга, был выполнен фирмой «Юнайтед Стерлинг» для случая установки двигателя на грузовой автомобиль . Опубликованные данные относятся к уровню цен 1973 г., однако последовавший катастрофический рост инфляции и рост в геометрической прогрессии цен на топливо и смазочные материалы затрудняют перевод полученных результатов к уровню цен 1981 г., в то же время публикация здесь расчетов стоимости на уровне 1973 г. вряд ли целесообразна.
Коэффициент экономической рентабельности (КЭР) вычислялся по следующей формуле:
(Разность стоимостей____ /Разность первоначальныхЧ
__ Эксплуатации / V ___________________ Стоимостей _______)
При этом разности определяются между соответствующими показателями двигателя Стирлинга и эквивалентного дизеля.
Из результатов, полученных фирмой «Юнайтед Стирлинг» и скорректированных авторами (рис. 1.119), следует, что при эксплуатационном пробеге 16 000 км в год КЭР = 0 после 4,1 года эксплуатации; иными словами, за этот период меньшие затраты на эксплуатацию двигателя Стирлинга по сравнению с дизелем уравновесят его большую первоначальную стоимость, а через 5,7 года КЭР достигнет значения 0,5, т. е. будет получена экономия, равная половине разности первоначальных капитало-
Вложений. При годовом пробеге 100 000 км - среднем для Европы при международных автомобильных перевозках - первоначальные дополнительные капиталовложения окупятся через 2-3 месяца эксплуатации. Эти результаты получены для одиночного автомобиля. Аналогичный расчет, проведенный для автоколонны, дал бы еще более благоприятные результаты. Даже такой краткий обзор вопросов, связанных со стоимостью двигателей Стирлинга, позволяет сделать обоснованный вывод, что этот двигатель, хотя и имеет большую стоимость изготовления, зато потенциально менее дорог в эксплуатации. При дальнейшем повышении стоимости нефтепродуктов и затруднениях в их приобретении преимущества двигателя Стирлинга могут стать еще более ощутимыми.
Хотя двигатель Стирлинга может работать на самых различных источниках энергии, несомненно, что еще и в начале будущего столетия основным источником энергии для наземного транспорта останутся углеводородные топлива. Это не означает, что углеводородные топлива по-прежнему будут получать из существующих источников и что они сохранят современный вид. Этот вопрос предстоит изучить, так как возможны дополнительные экономические выгоды за счет способности двигателя Стирлинга работать на различных видах топлива. Поэтому вслед за обсуждением технологичности двигателя Стирлинга мы рассмотрим возможности использования альтернативных углеводородных топлив.
Хотя этот вопрос рассматривается отдельно от стоимости, на самом деле стоимость изготовления прямо связана с технологичностью. Однако для большей четкости изложения удобнее рассмотреть вопросы, связанные с технологичностью, отдельно. Как видно из табл. 1.10, двигатель Стирлинга имеет большую стоимость, чем другие варианты автомобильных двигателей; составляющие этой стоимости приведены в табл. 1.12. Основная причина такой относительной дороговизны двигателя Стирлинга - использование высоколегированных сплавов для изготовления теплообменников. Конструкция теплообменников предусматривает применение весьма дорогой технологии пайки и дорогостоящих материалов для пайки, при этом длина паяных швов весьма значительна . Допуски на обработанные поверхности деталей двигателя Стирлинга, как правило, более жесткие, что является следствием применения замкнутого рабочего цикла. Для свободнопоршневых двигателей Стирлинга качество механической обработки является, вероятно, наиболее важным требованием для обеспечения нормальной работы двигателя.
Сборка основных механических компонентов двигателя Стирлинга должна производиться с большой тщательностью, особенно сборка уплотняющих устройств. Любая неточность сборки поведет к поломке двигателя. Уплотнение типа «скатывающийся чулок» особенно чувствительно к небрежностям сборки, и при установке такого тонкого и хрупкого уплотнения требуется особая чистота места сборки.
|
Таблица 1.13. Время, затрачиваемое на изготовление двигателя (распределение по видам работ)
|
На изготовление двигателя Стирлинга затрачивается приблизительно такое же время, как и на изготовление других двигателей, однако квалификация персонала должна быть выше по упомянутым выше причинам. Хотя время, затрачиваемое при сборке, возможно, и такое же, как при сборке других двигателей, распределение этого времени по отдельным операциям будет иным, и, разумеется, это может повлиять на общую стоимость. Соображения, высказанные в этом кратком обсуждении, подтверждаются данными, приведенными в табл. 1.13 и 1.14. Суммарное время, затрачиваемое на изготовление одного двигателя, принято равным 10 ч независимо от типа двигателя.
Из таблиц следует, что, хотя на литье деталей двигателя Стирлинга требуется столько же времени, сколько на литье деталей двигателя с принудительным зажиганием, стоимость литейного оборудования для первого двигателя в два раза выше. Исходя из этого, следует ожидать высоких первоначальных капиталовложений, требуемых для строительства заводов двигателей Стирлинга, и это, вероятно, объясняет сдержанность изготовителей двигателей при решении вопроса о широкой производственной программе: они ожидают момента, когда отпадут все сомнения в том, что этот двигатель сможет реализовать свои потенциальные преимущества. Причины, по которым стоимость 1 кВт, развиваемого опытным двигателем Стирлинга индивидуального изготовления, весьма высока, также вполне понятны.
Ж. Альтернативные источники энергии
Происшедший энергетический кризис касался только одного источника энергии - сырой нефти и жидких углеводородных топлив, получаемых из нее. За последнее десятилетие (1971- 1981 гг.) результатом кризиса были возрастание в геометрической прогрессии цен на топливо, а также трудность сохранения гарантированных поставок топлива. Однако необходимо помнить, что наша планета не располагает неограниченными резервами сырой нефти, хотя пройдет немало лет, прежде чем имеющиеся резервы истощатся настолько, что это окажет заметное глобальное воздействие. Кризис усугубился неравномерным распределением нефти по регионам, так что в настоящее время весьма мало стран, которые сами обеспечивают свои потребности в нефти, и совсем немного стран, которые располагают таким количеством, нефти, что имеют большие ее излишки. Большинство стран вынуждено импортировать часть или даже все необходимое им углеводородное топливо, на что уходит значительная сумма иностранной валюты. К 1980 г. 44,6 % мирового потребления энергии будет удовлетворяться за счет сырой нефти , и это число показывает чудовищную трудность проблемы, которую предстоит решить.
Структура потребления энергии различна в разных странах, однако в качестве примера мы взяли структуру потребления в США, поскольку США потребляет больше энергии, чем любая другая страна. Структура потребления на 1977 г. дана в табл. 1.15 .
Потребление жидких углеводородов в США аналогично общемировому и составляет 48,8 % общего потребления энергии, что соответствует 795 млн. т/год; 54,5 % этого топлива расходуется на нужды транспорта. США приходится импортировать 50 % требуемого им количества нефти, что составляет около 375 млн. т/год и приводит к затрате многих миллиардов долларов. Естественно, такие затраты побуждают поиск альтерна-
Тивных топлив. Однако замена жидких углеводородов в качестве источников энергии представляет собой труднейшую задачу и потребует многих лет интенсивных исследований и разработок. Решению задачи может помочь использование солнечной и геотермальной энергии, энергии ветра, однако развитие этих источников в настоящее время показывает, что в целом они не будут иметь большого значения по меньшей мере до начала будущего столетия. Атомные электростанции и гидроэлектростанции будут, как предсказывают, к 1990 г. удовлетворять около 15 % энергопотребления. Это означает, что на долю нефти останется около 40 % мирового потребления энергии. Однако все эти альтернативные источники окажут незначительное влияние (или вообще его не окажут) на расход нефти на транспорте, если только не увеличится перевозка грузов по железным дорогам и не будет осуществлена полная электрификация железных дорог. Даже в этом случае проблема снабжения топливом безрельсового пассажирского и грузового транспорта остается. Очевидно, имеются три возможных варианта:
1) использование иных, чем нефть, ископаемых топливных ресурсов;
2) использование углеводородов с меньшей степенью очистки;
3) использование синтетических жидких углеводородов.
Вариант 1 связан с многочисленными трудностями, среди которых не последнее место занимает обеспечение энергетического эквивалента 795 млн. т нефти, составляющего 4-1018 Дж. Для обеспечения этого эквивалента необходимы нереально быстрые темпы развития индустрии твердого и газообразного ископаемого топлива. В ближайшем будущем возможно увеличение производства этих топлив на существующих предприятиях, и, хотя это поможет решению проблемы, возникнет другая проблема - как использовать эти виды топлива на современных двигателях.
Для энергосиловых установок с внешним подводом тепла, таких, как двигатели Стирлинга и паровые машины, это не составило бы трудностей. Проблему в основном можно решить и для мощной стационарной газовой турбины. Другие рассматриваемые двигатели не так легко приспособить к альтернативным топливам, что видно из табл. 1.16 , где знак X обозначает возможность использования данного топлива, знак ОХ - проблематичную возможность такого использования, а прочерк означает, что топливо не может быть использовано.
Таблица 1.16. Приспособленность двигателей к различным видам топлива
Авиационная
Вид топлива ГЗБ СЗБ газовая Дизель
На основе угля
TOC o "1-3" h z Смесь угольной пыли и остат - - - - ОХ
Ков перегонки нефти
Смесь угольной пыли и метанола - - - ОХ
Жидкое топливо на основе угля
Бензин XX - -
Смесь дизельного топлива и - X - X
Топлива для реактивной авиации
Тяжелое топливо (мазут) - - X
Жидкое топливо из сланцев
Бензин XX - X
Смесь дизельного топлива и - X - X топлива для реактивной авиации
Топливо на основе нефтеоргани - - X XX ческих отходов
Метанол XX XX
Водород XX XX
Метан XX XX
Данные табл. 1.16 свидетельствуют, что ситуация не слишком обнадеживающая, и похоже, что времени для улучшения ситуации в случае варианта 1 не так уж много.
Вариант 2 получил определенную поддержку в популярной прессе, однако октановое и цетановое числа таких углеводородов недостаточны для надежной работы существующих двигателей. Даже если эти двигатели удастся приспособить для работы на этих топливах, экономия энергии будет не столь значительна, как это кажется на первый взгляд. Подсчитано, что при использовании менее очищенных углеводородов экономия
Энергии составит не более 3,8 % , и, поскольку использование таких топлив отрицательно скажется на удельных расходах топлива и на содержании выбросов в атмосферу, этот вариант также не является решением проблемы.
Таким образом, единственный вариант, который остается,- это производство синтетических жидких углеводородов, т. е. углеводородов, получаемых не из ископаемой нефти, а, например, из угля, горючих сланцев, смолистых песков. К недостаткам этого варианта следует отнести большие затраты энергии на процесс получения синтетических топлив. Например, жидкое топливо, получаемое из угля, особенно предназначенное для двигателя с принудительным зажиганием, теряет в процессе своего производства до 40 % энергии, содержащейся в источнике, из которого оно получено. Однако производство топлива из угля, предназначенное для двигателя Стирлинга, не требует сложной технологии, и на получение такого топлива затрачивалось бы существенно меньше энергии. Из сказанного следует, что для подсчета общего термического КПД установки, работающей на синтетическом топливе, необходимо учитывать также КПД преобразования первоначального вида энергии в ее вид, пригодный для использования в данной установке. Результаты таких расчетов представлены в табл. 1.17 .
Таблица 1.17. Термические КПД, характеризующие преобразование энергии заключенной в источнике топлива, в полезную работу на выходе из двигателя
Синтетическое топливо
КПД Общий двигателя, КПД,
Сланцевое мас-
Газовая турбина СЗБ
Двигатель Стерлинга
По этим результатам вариант 3 представляется более привлекательным, за исключением того, что все перспективные двигатели, для которых получены удовлетворительные результаты,- двигатели с принудительным зажиганием и слоистым зарядом, дизели с турбонаддувом, двигатели Стирлинга и газовые турбины,- требуют значительных капиталовложений для производства в объемах, обеспечивающих их рентабельность. В модифицированном варианте 3 рассмотрена возможность использования горючих смесей, составленных из синтетического топлива и бензина, полученного из нефти. Одна такая смесь испы - тывалась в условиях эксплуатации - это газохол (10% этанола, полученного из гранулированного сырья, и 90 % неэтилированного бензина). Результаты испытаний показали, что эта смесь имеет свойства, почти идентичные свойствам бензина, составляющего ее основу, и обеспечивает почти те же рабочие характеристики двигателя, что и бензин, а несколько меньший энергетический потенциал единицы объема смеси перекрывается ее более высоким октановым числом. Можно также использовать смеси бензина с метанолом .
Использование смесей, однако, лишь в незначительной степени снизит остроту проблемы импорта нефти, а именно пропорционально процентному содержанию синтетического топлива в смеси. В то же время капиталовложения, необходимые для строительства заводов по производству сравнительно небольшого количества таких смесей, превысили бы возможности малых стран и даже многих многонациональных компаний. Например, согласно оценкам, для производства 17,2 млн. т/год газохола к 1990 г. (иными словами, всего 2 % общей потребности в жидких углеводородах) понадобилось бы не менее 10 млрд. долл. Этот расчет выполнен для смеси этанола с бензином в отношении 5: 95, так что общее количество потребляемой нефти уменьшится на величину, составляющую 5 % от 2 %, т. е. на 0,1 %. С учетом современных цен на нефтепродукты такое строительство обойдется в 20 раз дороже, чем закупка соответствующего количества нефти.
Из сказанного следует, что, хотя необходимость заставляет искать альтернативные источники топлива, потребуются колоссальные капиталовложения, чтобы эти источники смогли оказывать хоть какое-то влияние на структуру потребления топлива вплоть до конца первой четверти следующего столетия, в особенности синтетические топлива. Тяжелые нефтяные топлива и уголь смогут оказать некоторое влияние на структуру потребления топлива стационарными силовыми установками как малой, так и большой мощности. Для транспортных силовых установок единственным выходом из положения остается снижение расхода топлива, причем это относится не только к автомобилям, но и к морским судам, где 72 % бортовых силовых установок составляют дизельные двигатели . Сокращение норм потребления топлива, как уже говорилось, только частично разрешает проблему: двигатели с существенно меньшим расходом топлива окажут большее влияние на решение проблемы экономии энергии, особенно если они будут способны работать на различных видах топлива. Двигатель Стирлинга продемонстрировал, что уже на современном этапе своего развития он может обеспечить существенную экономию топлива. Однако с учетом интенсивности проводимых в настояшее время исследовательских и конструкторских разработок эта экономия может быть еще больше. Фирма «Форд» к моменту завершения своей программы работ по двигателям Стирлинга прогнозировала, что с уровнем достоверности 73 % можно ожидать снижения расхода топлива на 38 %, а с уровнем достоверности 52 % -на 81 % .