Принцип на действие на топлинните двигатели. Коефициент на полезно действие (КПД) на топлинни двигатели

Коефициентът на полезно действие (ефективност) е термин, който може да се приложи към, може би, всяка система и устройство. Дори човек има коефициент на ефективност, въпреки че вероятно все още няма обективна формула за намирането му. В тази статия ще обясним подробно какво е ефективност и как може да се изчисли за различни системи.

Определение за ефективност

Ефективността е показател, който характеризира ефективността на системата по отношение на изхода или преобразуването на енергия. Ефективността е неизмерима величина и е представена или числова стойноств диапазона от 0 до 1 или като процент.

Обща формула

Ефективността се обозначава със символа Ƞ.

Общ математическа формуланамирането на ефективността се записва, както следва:

Ƞ=A/Q, където A е полезната енергия/работа, извършена от системата, а Q е енергията, изразходвана от тази система за организиране на процеса на получаване на полезна продукция.

Коефициентът на ефективност, за съжаление, винаги е по-малък или равен на единица, тъй като според закона за запазване на енергията не можем да получим повече работа от изразходваната енергия. В допълнение, ефективността всъщност изключително рядко е равна на единица, тъй като полезната работа винаги е придружена от загуби, например за нагряване на механизма.

Ефективност на топлинния двигател

Топлинният двигател е устройство, което преобразува Термална енергиякъм механични. В топлинен двигател работата се определя от разликата между количеството топлина, получено от нагревателя, и количеството топлина, отдадено на охладителя, и следователно ефективността се определя по формулата:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, където Qн е количеството топлина, получено от нагревателя, а Qх е количеството топлина, отдадено на охладителя.

Смята се, че най-висока ефективност се осигурява от двигатели, работещи по цикъла на Карно. В този случай ефективността се определя по формулата:

• Ƞ=T1-T2/T1, където T1 е температурата на горещия извор, T2 е температурата на студения извор.

Ефективност на електродвигателя

Електрическият мотор е устройство, което преобразува електрическата енергия в механична енергия, така че ефективността в този случай е коефициентът на ефективност на устройството по отношение на преобразуването електрическа енергиякъм механични. Формулата за намиране на ефективността на електродвигател изглежда така:

• Ƞ=P2/P1, където P1 е доставено електрическо захранване, P2 е полезно механична мощност, генерирани от двигателя.

Електрическата мощност се намира като произведение на системния ток и напрежение (P=UI), а механичната мощност като съотношението на работа за единица време (P=A/t)

Ефективност на трансформатора

Трансформаторът е устройство, което преобразува променлив токедно напрежение в променлив ток на друго напрежение, поддържайки честотата. В допълнение, трансформаторите могат също да преобразуват променлив ток в постоянен ток.

Ефективността на трансформатора се намира по формулата:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), където P0 - загуби в режим празен ход, PL - загуби при натоварване, P2 - активна мощност, подадена към товара, n - относителна степен на натоварване.

Ефективност или неефективност?

Струва си да се отбележи, че в допълнение към ефективността, има редица показатели, които характеризират ефективността на енергийните процеси, като понякога можем да срещнем описания като - ефективност от порядъка на 130%, но в този случай трябва да разберем, че терминът не е използван напълно правилно и най-вероятно авторът или производителят разбира това съкращение като малко по-различна характеристика.

Например термопомпите се отличават с това, че могат да отделят повече топлина, отколкото консумират. Така една хладилна машина може да отнеме повече топлина от охлаждания обект, отколкото е изразходвана в енергиен еквивалент за организиране на отстраняването. Индикаторът за ефективност на хладилната машина се нарича коефициент на охлаждане, обозначен с буквата Ɛ и определен по формулата: Ɛ=Qx/A, където Qx е топлината, отведена от студения край, A е работата, изразходвана за процеса на отвеждане . Понякога обаче хладилният коефициент се нарича още ефективност на хладилната машина.

Интересно е също, че ефективността на котлите, работещи с органично гориво, обикновено се изчислява въз основа на по-ниската калоричност и може да бъде по-голяма от единица. Все още обаче традиционно се нарича ефективност. Възможно е да се определи ефективността на котела по по-високата калоричност и тогава тя винаги ще бъде по-малка от единица, но в този случай ще бъде неудобно да се сравнява производителността на котлите с данни от други инсталации.

В живота човек се сблъсква с проблема и трябва да преобразува различни видове енергия. Устройствата, предназначени да преобразуват енергия, се наричат ​​енергийни машини (механизми). Към енергийните машини например спадат: електрогенератор, двигател с вътрешно горене, електродвигател, парен двигател и др.

На теория всеки вид енергия може да бъде напълно преобразуван в друг вид енергия. Но на практика, в допълнение към енергийните трансформации, в машините възникват енергийни трансформации, които се наричат ​​загуби. Съвършенството на енергийните машини определя коефициента на полезно действие (КПД).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ефективността на механизма (машината)наречено съотношение на полезна енергия () към общата енергия (W), която се доставя на механизма. Обикновено ефективността се обозначава с буквата (ета). IN математическа формаопределението за ефективност ще бъде написано, както следва:

Ефективността може да се определи от гледна точка на работа, като съотношението (полезна работа) към A ( работа на пълно работно време):

Освен това може да се намери като съотношение на мощността:

къде се захранва захранването на механизма; - мощността, която потребителят получава от механизма. Израз (3) може да бъде написан по различен начин:

къде е частта от мощността, която се губи в механизма.

От определенията за ефективност е очевидно, че тя не може да бъде повече от 100% (или не може да бъде повече от единица). Интервалът, в който се намира ефективността: .

Коефициентът на ефективност се използва не само за оценка на нивото на съвършенство на машината, но и за определяне на ефективността на всеки сложен механизъм и всички видове устройства, които консумират енергия.

Те се опитват да направят всеки механизъм, така че безполезните загуби на енергия да са минимални (). За тази цел те се опитват да намалят силите на триене (различни видове съпротивление).

Ефективност на механичните връзки

При разглеждане на структурно сложен механизъм (устройство) се изчислява ефективността на цялата конструкция и ефективността на всички нейни компоненти и механизми, които консумират и преобразуват енергия.

Ако имаме n механизма, които са свързани последователно, тогава получената ефективност на системата се намира като продукт на ефективността на всяка част:

При паралелна връзкамеханизми (фиг. 1) (един двигател задвижва няколко механизма), полезната работа е сумата от полезната работа на изхода на всяка отделна част от системата. Ако работата, изразходвана от двигателя, се означи като , тогава ефективността в този случай ще бъде намерена като:

Единици за ефективност

В повечето случаи ефективността се изразява в проценти.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Дата на публикуване 28.01.2013 13:48

Нито едно действие не се извършва без загуби - те винаги съществуват. Полученият резултат винаги е по-малък от усилията, които трябва да положите за постигането му. Коефициентът на ефективност (КПД) показва колко големи са загубите при извършване на работа.

Какво се крие зад това съкращение? По същество това е коефициентът на полезно действие на механизма или индикатора рационално използванеенергия. Стойността на ефективността няма мерни единици, тя се изразява в проценти. Този коефициент се определя като съотношението на полезната работа на устройството към работата, изразходвана за неговата работа. За да изчислите ефективността, формулата за изчисление ще изглежда така:

Ефективност =100* (извършена полезна работа/изразходвана работа)

За изчисляване на това съотношение се използват различни устройства. различни значения. За електрическите двигатели ефективността ще изглежда като съотношението на извършената полезна работа към електрическата енергия, получена от мрежата. За топлинните двигатели коефициентът на полезно действие ще се определя като съотношението на извършената полезна работа към количеството изразходвана топлина.

За определяне на ефективността е необходимо всички различни видовеенергията и работата бяха изразени в едни и същи единици. Тогава ще е възможно да се сравняват всякакви обекти, като атомни електроцентрали, генератори на електроенергия и биологични обекти, по отношение на ефективността.

Както вече беше отбелязано, поради неизбежните загуби по време на работата на механизмите, коефициентът на ефективност винаги е по-малък от 1. По този начин ефективността на термичните станции достига 90%, ефективността на двигателите с вътрешно горене е по-малка от 30%, а ефективността на електрически трансформатор е 98%. Понятие за ефективностможе да се прилага както към механизма като цяло, така и към отделните му компоненти. Когато се прави обща оценка на ефективността на механизма като цяло (неговата ефективност), продуктът на ефективността на отделните компонентитова устройство.

проблем ефективно използванегориво не се появи днес. С непрекъснатото увеличаване на цената на енергийните ресурси въпросът за повишаване на ефективността на механизмите се превръща от чисто теоретичен в практически въпрос. Ако ефективността на обикновена кола не надвишава 30%, тогава просто изхвърляме 70% от парите, изразходвани за зареждане на колата.

Разглеждането на ефективността на двигателя с вътрешно горене (ДВГ) показва, че загубите възникват на всички етапи от неговата работа. Така само 75% от входящото гориво се изгаря в цилиндрите на двигателя, а 25% се отделя в атмосферата. От цялото изгорено гориво само 30-35% от отделената топлина се използва за извършване на полезна работа; останалата част от топлината се губи или в отработените газове, или остава в охладителната система на автомобила. От получената мощност около 80% се използва за полезна работа, останалата част от мощността се изразходва за преодоляване на силите на триене и се използва от спомагателните механизми на автомобила.

Дори на това прост примеранализът на ефективността на механизма ни позволява да определим посоките, в които трябва да се работи за намаляване на загубите. Да, един от приоритетни области– осигуряване на пълно изгаряне на горивото. Това се постига чрез допълнително разпръскване на горивото и повишено налягане, поради което двигателите с директно впръскване и турбокомпресор стават толкова популярни. Отнетата топлина от двигателя се използва за загряване на горивото за по-добро изпаряване, а механичните загуби се намаляват чрез използването на съвременни видове синтетично масло.

Известно е, че вечен двигателневъзможен. Това се дължи на факта, че за всеки механизъм е вярно следното твърдение: общата работа, извършена с помощта на този механизъм (включително нагряване на механизма и заобикаляща среда, за преодоляване на силата на триене) винаги има по-полезна работа.

Например, повече от половината от работата на двигателя с вътрешно горене се губи за нагряване на компонентите на двигателя; малко топлина се отвежда от отработените газове.

Често е необходимо да се оцени ефективността на механизма и осъществимостта на неговото използване. Ето защо, за да се изчисли каква част от свършената работа се губи и каква част е полезна, специален физическо количество, което показва ефективността на механизма.

Тази стойност се нарича ефективност на механизма

Ефективността на механизма е равна на съотношението на полезната работа към общата работа. Очевидно ефективността винаги е по-малка от единица. Тази стойност често се изразява като процент. Обикновено се обозначава с гръцката буква η (чете се „това“). Коефициентът на ефективност се обозначава съкратено като ефективност.

η = (A_пълно /A_полезно) * 100%,

където η ефективност, A_пълна обща работа, A_полезна полезна работа.

Сред двигателите електродвигателят има най-висока ефективност (до 98%). Ефективността на двигателите с вътрешно горене е 20% - 40%, а тази на парната турбина е приблизително 30%.

Имайте предвид, че за повишаване на ефективността на механизмачесто се опитвайте да намалите силата на триене. Това може да стане с помощта на различни смазочни материали или сачмени лагери, в които триенето при плъзгане се заменя с триене при търкаляне.

Примери за изчисления на ефективността

Нека разгледаме един пример.Велосипедист с тегло 55 kg кара велосипед с тегло 5 kg нагоре по хълм с височина 10 m, извършвайки 8 kJ работа. Намерете ефективността на велосипеда. Не вземайте под внимание триенето при търкаляне на колелата по пътя.

Решение.Нека намерим общата маса на велосипеда и колоездача:

m = 55 кг + 5 кг = 60 кг

Нека намерим общото им тегло:

P = mg = 60 kg * 10 N/kg = 600 N

Нека намерим извършената работа за повдигане на велосипеда и велосипедиста:

Полезен = PS = 600 N * 10 m = 6 kJ

Нека намерим ефективността на велосипеда:

A_пълно / A_полезно * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Отговор:Ефективността на велосипеда е 75%.

Нека да разгледаме друг пример.В края на рамото на лоста е окачено тяло с маса m. Към другото рамо се прилага насочена надолу сила F и краят му се спуска с h. Намерете с колко се е повдигнало тялото, ако коефициентът на полезно действие на лоста е η%.

Решение.Нека намерим работата, извършена от сила F:

η% от тази работа се извършва за повдигане на тяло с маса m. Следователно Fhη / 100 беше изразходвано за повдигане на тялото.Тъй като теглото на тялото е равно на mg, тялото се издигна на височина Fhη / 100 / mg.

Нито едно извършено действие не протича без загуби - те винаги съществуват. Полученият резултат винаги е по-малък от усилията, които трябва да положите за постигането му. Коефициентът на ефективност (КПД) показва колко големи са загубите при извършване на работа.

Какво се крие зад това съкращение? По същество това е коефициент на ефективност на механизма или индикатор за рационалното използване на енергията. Стойността на ефективността няма мерни единици, тя се изразява в проценти. Този коефициент се определя като съотношението на полезната работа на устройството към работата, изразходвана за неговата работа. За да изчислите ефективността, формулата за изчисление ще изглежда така:

Ефективност =100* (извършена полезна работа/изразходвана работа)

Различните устройства използват различни стойности за изчисляване на това съотношение. За електрическите двигатели ефективността ще изглежда като съотношението на извършената полезна работа към електрическата енергия, получена от мрежата. За ще се определи като съотношението на извършената полезна работа към количеството изразходвана топлина.

За да се определи ефективността, е необходимо всеки да е различен и работата да се изразява в едни и същи единици. Тогава ще бъде възможно да се сравняват всякакви обекти, като генератори на електричество и биологични обекти, по отношение на ефективността.

Както вече беше отбелязано, поради неизбежните загуби по време на работата на механизмите, коефициентът на полезно действие винаги е по-малък от 1. По този начин ефективността на термичните станции достига 90%, ефективността на двигателите с вътрешно горене е по-малка от 30%, а ефективността на електрически трансформатор е 98%. Концепцията за ефективност може да се приложи както към механизма като цяло, така и към отделните му компоненти. При обща оценка на ефективността на механизма като цяло (неговата ефективност) се взема произведението на ефективността на отделните компоненти на това устройство.

Проблемът с ефективното използване на горивото не се появи днес. С непрекъснатото увеличаване на цената на енергийните ресурси въпросът за повишаване на ефективността на механизмите се превръща от чисто теоретичен в практически въпрос. Ако ефективността на обикновена кола не надвишава 30%, тогава просто изхвърляме 70% от парите, изразходвани за зареждане на колата.

Разглеждането на ефективността на двигателя с вътрешно горене (ДВГ) показва, че загубите възникват на всички етапи от неговата работа. Така само 75% от входящото гориво се изгаря в цилиндрите на двигателя, а 25% се отделя в атмосферата. От цялото изгорено гориво само 30-35% от отделената топлина се използва за извършване на полезна работа; останалата част от топлината се губи или в отработените газове, или остава в охладителната система на автомобила. От получената мощност около 80% се използва за полезна работа, останалата част от мощността се изразходва за преодоляване на силите на триене и се използва от спомагателните механизми на автомобила.

Дори и с такъв прост пример, анализът на ефективността на механизма ни позволява да определим посоките, в които трябва да се работи, за да се намалят загубите. По този начин една от приоритетните области е да се осигури пълно изгаряне на горивото. Това се постига чрез допълнително разпръскване на горивото и повишено налягане, поради което двигателите с директно впръскване и турбокомпресор стават толкова популярни. Топлината, отнета от двигателя, се използва за загряване на горивото за по-добро изпаряване, а механичните загуби се намаляват чрез използването на модерни сортове

Тук разгледахме такова понятие, както е описано, какво представлява и какво засяга. На примера на двигател с вътрешно горене се разглежда ефективността на неговата работа и се определят насоките и начините за увеличаване на възможностите на това устройство и следователно ефективността.