Soojusmasinate tööpõhimõte. Soojusmasinate jõudlustegur (COP).

Toimivuskoefitsient (COP) - termin, mida saab rakendada võib-olla iga süsteemi ja seadme jaoks. Isegi inimesel on efektiivsus olemas, kuigi tõenäoliselt pole selle leidmiseks veel objektiivset valemit. Selles artiklis selgitame üksikasjalikult, mis on tõhusus ja kuidas seda erinevate süsteemide jaoks arvutada.

tõhususe määratlus

Tõhusus on näitaja, mis iseloomustab konkreetse süsteemi efektiivsust seoses energia tagastamise või muundamisega. Tõhusus on mõõtmatu suurus ja see on esindatud kas numbriline väärtus vahemikus 0 kuni 1 või protsentides.

Üldvalem

Tõhusust tähistab sümbol Ƞ.

Kindral matemaatiline valem efektiivsuse leidmine on kirjutatud järgmiselt:

Ƞ=A/Q, kus A on süsteemi poolt tehtud kasulik energia/töö ja Q on selle süsteemi poolt kasuliku väljundi saamise protsessi korraldamiseks kulutatud energia.

Kasutegur on kahjuks alati väiksem kui üks või sellega võrdne, kuna energia jäävuse seaduse kohaselt ei saa me rohkem tööd kui kulutatud energia. Lisaks on efektiivsus tegelikult äärmiselt harva võrdne ühega, kuna kasuliku tööga kaasnevad alati kaod, näiteks mehhanismi soojendamiseks.

Soojusmootori efektiivsus

Soojusmasin on seade, mis muundab soojusenergia mehaaniliseks. Soojusmasinas määratakse töö küttekehast saadava soojushulga ja jahutile antud soojushulga vahega ning seetõttu määratakse kasutegur valemiga:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, kus Qн on küttekehast saadud soojushulk ja Qх on jahutile antud soojushulk.

Arvatakse, et suurima kasuteguri tagavad Carnot tsüklil töötavad mootorid. Sel juhul määratakse tõhusus järgmise valemiga:

• Ƞ=T1-T2/T1, kus T1 on kuuma allika temperatuur, T2 on külma allika temperatuur.

Elektrimootori efektiivsus

Elektrimootor on seade, mis muundab elektrienergia mehaaniliseks energiaks, nii et kasutegur on antud juhul seadme efektiivsuse suhe konversiooni suhtes elektrienergia mehaaniliseks. Elektrimootori efektiivsuse leidmise valem näeb välja järgmine:

• Ƞ=P2/P1, kus P1 - tarnitud elektrienergia, P2 - kasulik mehaaniline jõud mootori poolt tekitatud.

Elektrivõimsus leitakse süsteemi voolu ja pinge korrutisena (P=UI) ning mehaaniline võimsus leitakse töö ja ajaühiku suhtena (P=A/t)

trafo efektiivsus

Trafo on seade, mis muundab vahelduvvooluüks pinge teise pinge vahelduvvooluks, säilitades sageduse. Lisaks saavad trafod muuta vahelduvvoolu alalisvooluks.

Trafo kasutegur leitakse järgmise valemi abil:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), kus P0 – režiimi kadu tühikäik, PL - koormuskaod, P2 - koormusele tarnitud aktiivvõimsus, n - suhteline koormusaste.

Tõhusus või mittetõhusus?

Väärib märkimist, et lisaks efektiivsusele on mitmeid energiaprotsesside efektiivsust iseloomustavaid näitajaid ja mõnikord võime leida tüübi kirjeldusi - kasutegur suurusjärgus 130%, kuid sel juhul tuleb mõista, et seda terminit ei kasutata päris õigesti, ja tõenäoliselt mõistab autor või tootja selle lühendi all veidi teistsugust tunnust.

Näiteks soojuspumbad eristuvad selle poolest, et nad suudavad soojust välja anda rohkem kui tarbivad. Seega suudab külmutusmasin jahutatud objektilt eemaldada rohkem soojust, kui kulub äraveo korraldamiseks energiaekvivalendina. Külmutusmasina efektiivsusnäitajat nimetatakse jõudluskoefitsiendiks, mida tähistatakse tähega Ɛ ja see määratakse järgmise valemiga: Ɛ=Qx/A, kus Qx on külmast otsast eemaldatud soojus, A on töö, mis kulub külmutusseadmele. eemaldamise protsess. Kuid mõnikord nimetatakse jõudluskoefitsienti ka külmutusmasina efektiivsuseks.

Huvitav on ka see, et fossiilkütustel töötavate katelde kasutegur arvutatakse tavaliselt madalama kütteväärtuse põhjal, samas võib see osutuda rohkemaks kui üheks. Traditsiooniliselt nimetatakse seda siiski efektiivsuseks. Katla kasutegurit on võimalik määrata brutokütteväärtuse järgi ja siis jääb see alati alla ühe, kuid sel juhul on ebamugav võrrelda katelde jõudlust teiste paigaldiste andmetega.

Elus seisab inimene silmitsi probleemiga ja vajadusega erinevat tüüpi energiaid muundada. Seadmeid, mis on ette nähtud energia muundamiseks, nimetatakse energiamasinateks (mehhanismideks). Näiteks jõumasinate hulka kuuluvad: elektrigeneraator, sisepõlemismootor, elektrimootor, aurumasin jne.

Teoreetiliselt võib igasugune energia täielikult muutuda teist tüüpi energiaks. Kuid praktikas toimuvad lisaks energia muundumisele masinates energia muundumised, mida nimetatakse kadudeks. Jõumasinate täiuslikkus määrab jõudlusteguri (COP).

MÄÄRATLUS

Mehhanismi (masina) efektiivsus nimetatakse kasuliku energia () ja koguenergia (W) suhteks, mis mehhanismile tarnitakse. Tavaliselt tähistatakse efektiivsust tähega (see). AT matemaatiline vorm Tõhususe määratlus on kirjutatud järgmiselt:

Tõhusust saab määratleda töö kaudu, kui (kasuliku töö) ja A ( täistöö):

Seda võib leida ka võimsussuhtena:

kus on mehhanismi toide; - võimsus, mille tarbija mehhanismilt saab. Avaldist (3) saab kirjutada erinevalt:

kus on see osa võimsusest, mis mehhanismis kaob.

Tõhususe definitsioonidest on ilmne, et see ei saa olla üle 100% (või ei saa olla rohkem kui üks). Intervall, milles kasutegur paikneb: .

Kasutegurit ei kasutata mitte ainult masina täiuslikkuse taseme hindamisel, vaid ka mis tahes keeruka mehhanismi ja igasuguste energiatarbijate seadmete efektiivsuse määramisel.

Nad püüavad luua mis tahes mehhanismi nii, et kasutud energiakadud oleksid minimaalsed (). Sel eesmärgil püütakse vähendada hõõrdejõude (erinevaid takistusi).

Mehhanismide ühenduste efektiivsus

Struktuuriliselt keeruka mehhanismi (seadme) kaalumisel arvutatakse kogu konstruktsiooni efektiivsus ja kõigi selle energiat tarbivate ja muundavate sõlmede ja mehhanismide efektiivsus.

Kui meil on n järjestikku ühendatud mehhanismi, siis leitakse süsteemi efektiivsus iga osa efektiivsuse korrutis:

Kell paralleelühendus mehhanismid (joon. 1) (üks mootor käitab mitut mehhanismi), kasulik töö on kasuliku töö summa süsteemi iga üksiku osa väljundis. Kui mootorile kulutatud töö on tähistatud kui , siis sel juhul leitakse efektiivsus järgmiselt:

Tõhususe ühikud

Enamasti väljendatakse efektiivsust protsentides.

Näited probleemide lahendamisest

NÄIDE 1

NÄIDE 2

Avaldamise kuupäev 28.01.2013 13:48

Ühtegi toimingut ei tehta ilma kadudeta – alati on kaotusi. Saadud tulemus on alati väiksem kui selle saavutamiseks kuluv pingutus. Selle kohta, kui suured on kaod töö tegemisel ja mida tõendab jõudluskoefitsient (COP).

Mis on selle lühendi taga peidus? Tegelikult on see mehhanismi või indikaatori efektiivsuskoefitsient ratsionaalne kasutamine energiat. Efektiivsuse väärtusel ei ole mõõtühikuid, seda väljendatakse protsentides. See koefitsient on määratletud kui seadme kasuliku töö ja selle tööks kulutatud töö suhe. Tõhususe arvutamiseks näeb arvutusvalem välja järgmine:

Tõhusus \u003d 100 * (kasulik tehtud töö / kulutatud töö)

Erinevates seadmetes kasutavad nad selle suhte arvutamiseks erinevad tähendused. Elektrimootorite puhul näeb kasutegur välja tehtud kasuliku töö ja võrgust saadava elektrienergia suhtena. Soojusmasinate puhul määratletakse kasutegur tehtud kasuliku töö ja tarbitud soojushulga suhtena.

Tõhususe määramiseks on vaja, et kõik erinevad tüübid energiat ja tööd väljendati samades ühikutes. Siis saab efektiivsuse osas võrrelda mis tahes objekte, näiteks tuumaelektrijaamu, elektrigeneraatoreid ja bioloogilisi objekte.

Nagu juba märgitud, on mehhanismide töö käigus tekkivate vältimatute kadude tõttu kasutegur alati väiksem kui 1. Seega ulatub soojusjaamade kasutegur 90%, sisepõlemismootorite kasutegur on alla 30%, elektritrafo on 98%. Efektiivsuse mõiste saab rakendada nii mehhanismile tervikuna kui ka selle üksikutele sõlmedele. Mehhanismi kui terviku tõhususe (selle tõhususe) üldisel hinnangul on üksikisiku efektiivsuse korrutis koostisosad see seade.

Probleem tõhus kasutamine kütust täna ei ilmunud. Seoses energiaressursside kallinemisega on mehhanismide efektiivsuse tõstmise küsimus muutumas puhtalt teoreetilisest praktiliseks küsimuseks. Kui tavaauto kasutegur ei ületa 30%, siis 70% auto tankimiseks kuluvast rahast viskame lihtsalt minema.

Sisepõlemismootori (sisepõlemismootori) efektiivsuse arvestamine näitab, et kaod tekivad selle töö kõigil etappidel. Seega põleb mootori silindrites ainult 75% sissetulevast kütusest ja 25% satub atmosfääri. Kogu põletatud kütusest kulub vaid 30-35% vabanevast soojusest kasulikule tööle, ülejäänud soojus läheb kas heitgaasidega kaotsi või jääb auto jahutussüsteemi. Saadud võimsusest umbes 80% kulub kasulikuks tööks, ülejäänud võimsus kulub hõõrdejõudude ületamiseks ja seda kasutavad ära auto abimehhanismid.

Isegi sellisel lihtne näide mehhanismi efektiivsuse analüüs võimaldab teil määrata suunad, milles kahjude vähendamiseks tuleks tööd teha. Jah, üks neist prioriteetsed valdkonnad– kütuse täieliku põlemise tagamine. See saavutatakse kütuse täiendava pihustamise ja rõhu suurendamisega, mistõttu on otsesissepritse ja turboülelaaduriga mootorid nii populaarsed. Mootorist eemaldatud soojust kasutatakse kütuse soojendamiseks, et parandada selle lenduvust ning mehaanilisi kadusid vähendatakse tänu kaasaegsete sünteetiliste õlide kasutamisele.

On teada, et igiliikur võimatu. See on tingitud asjaolust, et iga mehhanismi puhul kehtib väide: selle mehhanismi abil tehtud täielik töö (sh mehhanismi soojendamine ja keskkond, hõõrdejõu ületamiseks) on alati kasulikum töö.

Näiteks üle poole sisepõlemismootori tööst kulub mootori komponentide soojendamisele; osa soojust viivad ära heitgaasid.

Sageli on vaja hinnata mehhanismi tõhusust, selle kasutamise otstarbekust. Seega selleks, et arvutada, milline osa tehtud tööst läheb raisku ja milline on kasulik, on spetsiaalne füüsiline kogus, mis näitab mehhanismi tõhusust.

Seda väärtust nimetatakse mehhanismi efektiivsuseks

Mehhanismi efektiivsus võrdub kasuliku töö ja kogutöö suhtega. Ilmselgelt on efektiivsus alati väiksem kui ühtsus. Seda väärtust väljendatakse sageli protsentides. Tavaliselt tähistatakse seda kreeka tähega η (loe "see"). Tõhusust nimetatakse lühendatult efektiivsuseks.

η \u003d (A_täis / A_kasulik) * 100%,

kus η efektiivsus, A_täielik täistöö, A_kasulik kasulik töö.

Mootorite hulgas on elektrimootori kasutegur kõrgeim (kuni 98%). Sisepõlemismootorite kasutegur 20% - 40%, auruturbiinil ca 30%.

Pange tähele, et mehhanismi tõhususe suurendamine sageli püüavad hõõrdejõudu vähendada. Seda saab teha erinevate määrdeainete või kuullaagrite abil, milles libisemishõõrdumine asendatakse veerehõõrdumisega.

Tõhususe arvutamise näited

Kaaluge näidet. 55 kg kaaluv jalgrattur ronib 8 kJ töid tehes 5 kg massiga mäest, mille kõrgus on 10 m. Leidke jalgratta efektiivsus. Arvesse ei võeta rataste veerehõõrdumist teel.

Lahendus. Leidke jalgratta ja jalgratturi kogumass:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Leiame nende kogukaalu:

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

Leia ratta ja jalgratturi tõstmisel tehtud tööd:

Kasulik \u003d PS \u003d 600 N * 10 m \u003d 6 kJ

Leiame ratta efektiivsuse:

A_täis / A_kasulik * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Vastus: Jalgratta efektiivsus on 75%.

Vaatleme veel ühte näidet. Kangi hoova otsa riputatakse keha massiga m. Teisele käele rakendatakse allapoole suunatud jõudu F ja selle otsa langetatakse h võrra. Leia, kui palju kere on tõusnud, kui kangi kasutegur on η%.

Lahendus. Leidke jõu F poolt tehtud töö:

η % sellest tööst tehakse keha massiga m tõstmiseks. Seetõttu kulus keha tõstmisele Fhη / 100. Kuna keha kaal on mg, siis on keha tõusnud Fhη / 100 / mg kõrgusele.

Ühtegi toimingut ei tehta ilma kadudeta – need on alati olemas. Saadud tulemus on alati väiksem kui selle saavutamiseks kuluv pingutus. Selle kohta, kui suured on kaod töö tegemisel ja mida tõendab jõudluskoefitsient (COP).

Mis on selle lühendi taga peidus? Sisuliselt on see mehhanismi efektiivsuskoefitsient ehk energia ratsionaalse kasutamise näitaja. Efektiivsuse väärtusel ei ole mõõtühikuid, seda väljendatakse protsentides. See koefitsient on määratletud kui seadme kasuliku töö ja selle tööks kulutatud töö suhe. Tõhususe arvutamiseks näeb arvutusvalem välja järgmine:

Tõhusus \u003d 100 * (kasulik tehtud töö / kulutatud töö)

Erinevad seadmed kasutavad selle suhte arvutamiseks erinevaid väärtusi. Elektrimootorite puhul näeb kasutegur välja tehtud kasuliku töö ja võrgust saadava elektrienergia suhtena. For määratletakse kui tehtud kasuliku töö ja tarbitud soojushulga suhet.

Tõhususe määramiseks on vajalik, et kõik oleksid erinevad ja töö oleks väljendatud samades ühikutes. Siis on võimalik võrrelda mis tahes objekte, näiteks elektrigeneraatoreid ja bioloogilisi objekte, tõhususe osas.

Nagu juba märgitud, on mehhanismide töö käigus tekkivate vältimatute kadude tõttu kasutegur alati väiksem kui 1. Seega ulatub soojusjaamade kasutegur 90%, sisepõlemismootorite kasutegur on alla 30%, elektritrafo on 98%. Tõhususe mõistet saab rakendada nii mehhanismi kui terviku kui ka selle üksikute sõlmede suhtes. Mehhanismi kui terviku tõhususe (selle tõhususe) üldisel hindamisel võetakse selle seadme üksikute komponentide tõhususe korrutis.

Kütuse tõhusa kasutamise probleem täna ei ilmnenud. Seoses energiaressursside kallinemisega on mehhanismide efektiivsuse tõstmise küsimus muutumas puhtalt teoreetilisest praktiliseks küsimuseks. Kui tavaauto kasutegur ei ületa 30%, siis 70% auto tankimiseks kuluvast rahast viskame lihtsalt minema.

Sisepõlemismootori (sisepõlemismootori) efektiivsuse arvestamine näitab, et kaod tekivad selle töö kõigil etappidel. Seega põleb mootori silindrites ainult 75% sissetulevast kütusest ja 25% satub atmosfääri. Kogu põletatud kütusest kulub vaid 30-35% vabanevast soojusest kasulikule tööle, ülejäänud soojus läheb kas heitgaasidega kaotsi või jääb auto jahutussüsteemi. Saadud võimsusest umbes 80% kulub kasulikuks tööks, ülejäänud võimsus kulub hõõrdejõudude ületamiseks ja seda kasutavad ära auto abimehhanismid.

Isegi sellisel lihtsal näitel võimaldab mehhanismi efektiivsuse analüüs määrata, millises suunas tuleks kahjude vähendamiseks töid teha. Seega on üheks prioriteediks kütuse täieliku põlemise tagamine. See saavutatakse kütuse täiendava pihustamise ja rõhu suurendamisega, mistõttu on otsesissepritse ja turboülelaaduriga mootorid nii populaarsed. Mootorist eemaldatud soojust kasutatakse kütuse eelsoojendamiseks, et parandada selle lenduvust, ning mehaanilisi kadusid vähendatakse kaasaegsete klasside kasutamisega.

Siin oleme käsitlenud sellist kontseptsiooni, kuna kirjeldatakse, mis see on ja mida see mõjutab. Selle töö efektiivsust vaadeldakse sisepõlemismootori näitel ning määratakse selle seadme võimekuse suurendamise suunad ja viisid ning sellest tulenevalt ka efektiivsus.