Lämpömoottorien toimintaperiaate. Lämpömoottorien tehokerroin (hyötysuhde).

Tehokkuustekijä (tehokkuus) on termi, jota voidaan soveltaa kenties jokaiseen järjestelmään ja laitteeseen. Jopa ihmisellä on tehokkuustekijä, vaikka sen löytämiseen ei todennäköisesti ole vielä objektiivista kaavaa. Tässä artikkelissa selitämme yksityiskohtaisesti, mikä tehokkuus on ja miten se voidaan laskea eri järjestelmille.

Tehokkuuden määritelmä

Tehokkuus on indikaattori, joka kuvaa järjestelmän tehokkuutta energiantuotannon tai muuntamisen suhteen. Tehokkuus on mittaamaton määrä, ja se on edustettuna numeerinen arvo välillä 0-1 tai prosentteina.

Yleinen kaava

Tehokkuus ilmaistaan ​​symbolilla Ƞ.

Kenraali matemaattinen kaava tehokkuuden löytäminen kirjoitetaan seuraavasti:

Ƞ=A/Q, jossa A on järjestelmän suorittama hyödyllinen energia/työ, ja Q on energia, jonka tämä järjestelmä kuluttaa organisoidakseen hyödyllisen tuotoksen saamiseksi.

Hyötysuhdekerroin on valitettavasti aina pienempi tai yhtä suuri kuin yksikkö, koska energian säilymisen lain mukaan emme voi saada enemmän työtä kuin kulutettua energiaa. Lisäksi tehokkuus on itse asiassa erittäin harvoin yhtä suuri kuin yhtenäisyys, koska hyödylliseen työhön liittyy aina häviöitä, esimerkiksi mekanismin lämmittämiseen.

Lämpömoottorin hyötysuhde

Lämpökone on laite, joka muuttaa lämpöenergia mekaaniseen. Lämpökoneessa työ määräytyy lämmittimestä saadun lämmön ja jäähdyttimelle annetun lämmön välisen eron perusteella, joten hyötysuhde määräytyy kaavasta:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, missä Qн on lämmittimestä vastaanotetun lämmön määrä ja Qх on jäähdyttimelle annettu lämmön määrä.

Uskotaan, että Carnot-syklillä toimivat moottorit tarjoavat suurimman hyötysuhteen. Tässä tapauksessa tehokkuus määritetään kaavalla:

• Ƞ=T1-T2/T1, jossa T1 on kuuman lähteen lämpötila, T2 on kylmän lähteen lämpötila.

Sähkömoottorin hyötysuhde

Sähkömoottori on laite, joka muuntaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi, joten hyötysuhde on tässä tapauksessa laitteen hyötysuhde muunnoksena sähköenergiaa mekaaniseen. Kaava sähkömoottorin hyötysuhteen löytämiseksi näyttää tältä:

• Ƞ=P2/P1, jossa P1 syötetään sähköä, P2 on hyödyllinen mekaaninen voima, jonka moottori tuottaa.

Sähköteho saadaan järjestelmän virran ja jännitteen tulona (P=UI) ja mekaaninen teho työsuhteena aikayksikköä kohti (P=A/t)

Muuntajan tehokkuus

Muuntaja on laite, joka muuntaa vaihtovirta yksi jännite toisen jännitteen vaihtovirraksi säilyttäen taajuuden. Lisäksi muuntajat voivat muuntaa vaihtovirran tasavirraksi.

Muuntajan tehokkuus selviää kaavasta:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), missä P0 - tilahäviöt tyhjäkäynti, PL - kuormitushäviöt, P2 - kuormaan syötetty aktiivinen teho, n - suhteellinen kuormitusaste.

Tehokkuus vai ei tehokkuus?

On syytä huomata, että tehokkuuden lisäksi energiaprosessien tehokkuutta kuvaavia indikaattoreita on useita, ja joskus voimme kohdata kuvauksia, kuten - tehokkuus luokkaa 130%, mutta tässä tapauksessa meidän on ymmärrettävä, että termiä ei käytetä täysin oikein, ja todennäköisesti kirjoittaja tai valmistaja ymmärtää tämän lyhenteen tarkoittavan hieman erilaista ominaisuutta.

Esimerkiksi lämpöpumput erottuvat siitä, että ne voivat vapauttaa enemmän lämpöä kuin kuluttavat. Jäähdytyskone pystyy siis poistamaan jäähdytettävästä kohteesta enemmän lämpöä kuin mitä energiaekvivalenttia kului poiston järjestämiseen. Kylmäkoneen hyötysuhdelukua kutsutaan jäähdytyskertoimeksi, jota merkitään kirjaimella Ɛ ja joka määritellään kaavalla: Ɛ=Qx/A, missä Qx on kylmästä päästä poistunut lämpö, ​​A on poistoprosessiin käytetty työ. . Kuitenkin joskus jäähdytyskerrointa kutsutaan myös jäähdytyskoneen hyötysuhteeksi.

Mielenkiintoista on myös se, että orgaanisella polttoaineella toimivien kattiloiden hyötysuhde lasketaan yleensä alemman lämpöarvon perusteella ja se voi olla suurempi kuin yksikkö. Sitä kutsutaan kuitenkin perinteisesti tehokkuudeksi. Kattilan hyötysuhde on mahdollista määrittää korkeammalla lämpöarvolla, ja silloin se on aina pienempi kuin yksi, mutta tässä tapauksessa on hankalaa verrata kattiloiden suorituskykyä muiden laitosten tietoihin.

Elämässä ihminen kohtaa ongelman ja tarvitsee muuntaa erilaisia ​​​​energiatyyppejä. Laitteita, jotka on suunniteltu muuntamaan energiaa, kutsutaan energiakoneiksi (mekanismeiksi). Energiakoneita ovat esimerkiksi: sähkögeneraattori, polttomoottori, sähkömoottori, höyrykone jne.

Teoriassa minkä tahansa tyyppinen energia voidaan muuntaa kokonaan toisen tyyppiseksi energiaksi. Mutta käytännössä koneissa tapahtuu energiamuunnosten lisäksi energiamuunnoksia, joita kutsutaan häviöiksi. Energiakoneiden täydellisyys määrää suorituskykykertoimen (hyötysuhteen).

MÄÄRITELMÄ

Mekanismin (koneen) tehokkuus kutsutaan hyötyenergian () suhteeksi kokonaisenergiaan (W), joka syötetään mekanismiin. Tyypillisesti tehokkuutta merkitään kirjaimella (eta). SISÄÄN matemaattinen muoto tehokkuuden määritelmä kirjoitetaan seuraavasti:

Tehokkuus voidaan määritellä työn perusteella, suhteeksi (hyödyllinen työ) ja A ( kokopäivätyö):

Lisäksi se löytyy tehosuhteena:

missä on mekanismiin syötetty teho; - teho, jonka kuluttaja saa mekanismista. Lauseke (3) voidaan kirjoittaa eri tavalla:

missä on se osa tehosta, joka menetetään mekanismissa.

Tehokkuuden määritelmistä käy ilmi, että se ei voi olla enempää kuin 100 % (tai ei voi olla enemmän kuin yksi). Aikaväli, jolla tehokkuus sijaitsee: .

Hyötysuhdekerrointa ei käytetä pelkästään koneen täydellisyyden arvioinnissa, vaan myös minkä tahansa monimutkaisen mekanismin ja kaikenlaisten energiaa kuluttavien laitteiden tehokkuuden määrittämisessä.

He yrittävät tehdä minkä tahansa mekanismin niin, että turhat energiahäviöt ovat minimaaliset (). Tätä tarkoitusta varten he yrittävät vähentää kitkavoimia (erilaisia ​​​​vastusta).

Mekanismiliitäntöjen tehokkuus

Tarkasteltaessa rakenteellisesti monimutkaista mekanismia (laitetta) lasketaan koko rakenteen tehokkuus sekä sen kaikkien energiaa kuluttavien ja muuntavien komponenttien ja mekanismien tehokkuus.

Jos meillä on n sarjaan kytkettyä mekanismia, niin tuloksena oleva järjestelmän hyötysuhde löydetään kunkin osan tehokkuuden tulona:

klo rinnakkaisliitäntä mekanismit (kuva 1) (yksi moottori käyttää useita mekanismeja), hyödyllinen työ on hyödyllisen työn summa järjestelmän kunkin yksittäisen osan lähdössä. Jos moottorin käyttämä työ on merkitty , niin hyötysuhde tässä tapauksessa löytyy seuraavasti:

Tehokkuusyksiköt

Useimmissa tapauksissa tehokkuus ilmaistaan ​​prosentteina.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

ESIMERKKI 1

ESIMERKKI 2

Julkaisupäivä 28.01.2013 13:48

Yhtäkään toimenpidettä ei suoriteta ilman tappioita - ne ovat aina olemassa. Saatu tulos on aina pienempi kuin se vaiva, joka sen saavuttamiseksi on käytettävä. Suorituskykykerroin (hyötysuhde) ilmaisee, kuinka suuria häviöt ovat työtä suoritettaessa.

Mitä tämän lyhenteen takana piilee? Pohjimmiltaan tämä on mekanismin tai indikaattorin tehokkuuskerroin järkevää käyttöä energiaa. Tehokkuusarvolla ei ole mittayksikköä, se ilmaistaan ​​prosentteina. Tämä kerroin määritetään laitteen hyödyllisen työn suhteeksi sen toimintaan käytettyyn työhön. Tehokkuuden laskemiseksi laskentakaava näyttää tältä:

Tehokkuus = 100* (hyödyllistä työtä tehty / käytetty työ)

Tämän suhteen laskemiseen käytetään erilaisia ​​laitteita. erilaisia ​​merkityksiä. Sähkömoottoreiden hyötysuhde näyttää suoritetun hyödyllisen työn suhteelta verkosta saatuun sähköenergiaan. Lämpökoneissa hyötysuhde määritellään suoritetun hyödyllisen työn ja kulutetun lämmön suhteena.

Tehokkuuden määrittämiseksi on välttämätöntä, että kaikki eri tyyppejä energia ja työ ilmaistiin samoissa yksiköissä. Sitten on mahdollista verrata mitä tahansa kohteita, kuten ydinvoimaloita, sähkögeneraattoreita ja biologisia esineitä, tehokkuuden suhteen.

Kuten jo todettiin, mekanismien toiminnan aikana väistämättömistä häviöistä johtuen hyötysuhde on aina pienempi kuin 1. Siten lämpöasemien hyötysuhde saavuttaa 90 %, polttomoottoreiden hyötysuhde on alle 30 % ja lämpöasemien hyötysuhde on alle 30 %. sähkömuuntaja on 98%. Tehokkuuden käsite voidaan soveltaa sekä mekanismiin kokonaisuutena että sen yksittäisiin osiin. Kun tehdään yleinen arvio mekanismin tehokkuudesta kokonaisuutena (sen tehokkuudesta), yksilön tehokkuudesta komponentit Tämä laite.

Ongelma tehokas käyttö polttoainetta ei ilmestynyt tänään. Energiaresurssien kustannusten jatkuvan nousun myötä kysymys mekanismien tehokkuuden lisäämisestä muuttuu puhtaasti teoreettisesta käytännön kysymykseksi. Jos tavallisen auton hyötysuhde ei ylitä 30 %, niin me yksinkertaisesti heitämme pois 70 % auton tankkaamiseen käytetystä rahasta.

Polttomoottorin (ICE) hyötysuhteen huomioiminen osoittaa, että häviöitä esiintyy sen kaikissa toimintavaiheissa. Siten vain 75 % tulevasta polttoaineesta poltetaan moottorin sylintereissä ja 25 % vapautuu ilmakehään. Kaikesta poltetusta polttoaineesta vain 30-35 % vapautuneesta lämmöstä käytetään hyödylliseen työhön, loput lämmöstä joko häviää pakokaasuissa tai jää auton jäähdytysjärjestelmään. Vastaanotetusta tehosta noin 80% käytetään hyödylliseen työhön, loput tehosta käytetään kitkavoimien voittamiseen ja sitä käyttävät auton apumekanismit.

Jopa tästä yksinkertainen esimerkki mekanismin tehokkuuden analyysi antaa meille mahdollisuuden määrittää suunnat, joissa työtä tulisi tehdä häviöiden vähentämiseksi. Kyllä, yksi niistä painopistealueet– varmistaa polttoaineen täydellinen palaminen. Tämä saavutetaan polttoaineen lisäsumutuksella ja lisääntyneellä paineella, minkä vuoksi suoraruiskutuksella ja turboahtimella varustetut moottorit ovat tulossa niin suosituiksi. Moottorista poistuvaa lämpöä käytetään polttoaineen lämmittämiseen haihduttamaan paremmin, ja mekaanisia häviöitä pienennetään käyttämällä nykyaikaisia ​​synteettisiä öljylaatuja.

On tiedossa, että ikiliikkuja mahdotonta. Tämä johtuu siitä, että mille tahansa mekanismille pitää paikkansa seuraava väite: tämän mekanismin avulla tehty kokonaistyö (mukaan lukien mekanismin lämmitys ja ympäristöön, kitkavoiman voittamiseksi) on aina enemmän hyödyllistä työtä.

Esimerkiksi yli puolet polttomoottorin työstä menee hukkaan moottorin osien lämmittämiseen; pakokaasut kuljettavat jonkin verran lämpöä pois.

Usein on tarpeen arvioida mekanismin tehokkuutta ja sen käytön toteutettavuutta. Siksi, jotta voidaan laskea, mikä osa tehdystä työstä menee hukkaan ja mikä osa on hyödyllistä, erityistä fyysinen määrä, joka osoittaa mekanismin tehokkuuden.

Tätä arvoa kutsutaan mekanismin tehokkuudella

Mekanismin tehokkuus on yhtä suuri kuin hyödyllisen työn suhde kokonaistyöhön. On selvää, että tehokkuus on aina pienempi kuin yksi. Tämä arvo ilmaistaan ​​usein prosentteina. Sitä merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella η (lue "tämä"). Hyötysuhdekerroin on lyhennetty tehokkuudella.

η = (A_täysi /A_hyödyllinen) * 100%,

missä η tehokkuus, A_kokonaistyö, A_hyödyllinen hyödyllinen työ.

Moottoreista sähkömoottorilla on korkein hyötysuhde (jopa 98 %). Polttomoottoreiden hyötysuhde on 20 % - 40 % ja höyryturbiinin noin 30 %.

Huomaa, että varten lisäämällä mekanismin tehokkuutta yrittää usein vähentää kitkavoimaa. Tämä voidaan tehdä käyttämällä erilaisia ​​voiteluaineita tai kuulalaakereita, joissa liukukitka korvataan vierintäkitkalla.

Esimerkkejä tehokkuuslaskelmista

Katsotaanpa esimerkkiä. 55 kg painava pyöräilijä ajoi 5 kg painavalla polkupyörällä 10 m korkeaa mäkeä ja teki 8 kJ työtä. Selvitä polkupyörän tehokkuus. Älä ota huomioon pyörien vierintäkitkaa tiellä.

Ratkaisu. Selvitetään polkupyörän ja pyöräilijän kokonaismassa:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Selvitetään heidän kokonaispainonsa:

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

Etsitään pyörän ja pyöräilijän nostamiseen tehdyt työt:

Hyödyllinen = PS = 600 N * 10 m = 6 kJ

Selvitetään pyörän tehokkuus:

A_täysi / A_hyödyllinen * 100 % = 6 kJ / 8 kJ * 100 % = 75 %

Vastaus: Polkupyörän hyötysuhde on 75 %.

Katsotaanpa toista esimerkkiä. Runko, jonka massa on m, on ripustettu vipuvarren päähän. Toiseen varteen kohdistuu alaspäin suuntautuva voima F ja sen päätä lasketaan h:lla. Selvitä kuinka paljon runko nousi, jos vivun hyötysuhde on η%.

Ratkaisu. Etsitään voimalla F tehty työ:

η% tästä työstä tehdään kappaleen, jonka massa on m, nostamiseksi. Näin ollen Fhη / 100 käytettiin kehon nostamiseen.Koska kehon paino on mg, keho nousi Fhη / 100 / mg korkeuteen.

Yksikään suoritettu toimenpide ei tapahdu ilman häviöitä - ne ovat aina olemassa. Saatu tulos on aina pienempi kuin se vaiva, joka sen saavuttamiseksi on käytettävä. Suorituskykykerroin (hyötysuhde) ilmaisee, kuinka suuria häviöt ovat työtä suoritettaessa.

Mitä tämän lyhenteen takana piilee? Pohjimmiltaan se on mekanismin hyötysuhde tai indikaattori energian järkevästä käytöstä. Tehokkuusarvolla ei ole mittayksikköä, se ilmaistaan ​​prosentteina. Tämä kerroin määritetään laitteen hyödyllisen työn suhteeksi sen toimintaan käytettyyn työhön. Tehokkuuden laskemiseksi laskentakaava näyttää tältä:

Tehokkuus = 100* (hyödyllistä työtä tehty / käytetty työ)

Eri laitteet käyttävät erilaisia ​​arvoja tämän suhteen laskemiseen. Sähkömoottoreiden hyötysuhde näyttää suoritetun hyödyllisen työn suhteelta verkosta saatuun sähköenergiaan. Sillä määritellään suoritetun hyödyllisen työn suhde käytetyn lämmön määrään.

Tehokkuuden määrittämiseksi on välttämätöntä, että jokainen on erilainen ja työ ilmaistaan ​​samoissa yksiköissä. Sitten on mahdollista verrata mitä tahansa kohteita, kuten sähkögeneraattoreita ja biologisia esineitä, tehokkuuden suhteen.

Kuten jo todettiin, mekanismien toiminnan aikana väistämättömistä häviöistä johtuen hyötysuhde on aina pienempi kuin 1. Siten lämpöasemien hyötysuhde saavuttaa 90 %, polttomoottoreiden hyötysuhde on alle 30 % ja lämpöasemien hyötysuhde on alle 30 %. sähkömuuntaja on 98%. Tehokkuuden käsitettä voidaan soveltaa sekä mekanismiin kokonaisuutena että sen yksittäisiin komponentteihin. Yleisessä arvioinnissa mekanismin tehokkuudesta kokonaisuutena (sen tehokkuudesta) otetaan tämän laitteen yksittäisten komponenttien tehon tulo.

Polttoaineen tehokkaan käytön ongelma ei ilmennyt tänään. Energiaresurssien kustannusten jatkuvan nousun myötä kysymys mekanismien tehokkuuden lisäämisestä muuttuu puhtaasti teoreettisesta käytännön kysymykseksi. Jos tavallisen auton hyötysuhde ei ylitä 30 %, niin me yksinkertaisesti heitämme pois 70 % auton tankkaamiseen käytetystä rahasta.

Polttomoottorin (ICE) hyötysuhteen huomioiminen osoittaa, että häviöitä esiintyy sen kaikissa toimintavaiheissa. Siten vain 75 % tulevasta polttoaineesta poltetaan moottorin sylintereissä ja 25 % vapautuu ilmakehään. Kaikesta poltetusta polttoaineesta vain 30-35 % vapautuneesta lämmöstä käytetään hyödylliseen työhön, loput lämmöstä joko häviää pakokaasuissa tai jää auton jäähdytysjärjestelmään. Vastaanotetusta tehosta noin 80% käytetään hyödylliseen työhön, loput tehosta käytetään kitkavoimien voittamiseen ja sitä käyttävät auton apumekanismit.

Jopa tällaisella yksinkertaisella esimerkillä mekanismin tehokkuuden analyysi antaa meille mahdollisuuden määrittää suunnat, joissa työtä tulisi tehdä häviöiden vähentämiseksi. Näin ollen yksi painopistealueista on varmistaa polttoaineen täydellinen palaminen. Tämä saavutetaan polttoaineen lisäsumutuksella ja lisääntyneellä paineella, minkä vuoksi suoraruiskutuksella ja turboahtimella varustetut moottorit ovat tulossa niin suosituiksi. Moottorista poistuvaa lämpöä käytetään polttoaineen lämmittämiseen parempaan höyrystymiseen ja mekaanisia häviöitä pienennetään käyttämällä nykyaikaisia ​​laatuja.

Tässä olemme tarkastelleet tällaista käsitettä, kuten kuvattiin, mitä se on ja mihin se vaikuttaa. Polttomoottorin esimerkin avulla tarkastellaan sen toiminnan tehokkuutta ja määritetään ohjeet ja tavat lisätä tämän laitteen ominaisuuksia ja siten tehokkuutta.