Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

КПД — что это, по какой формуле считается и как найти КПД тепловой машины или механизма

КПД — что это, по какой формуле считается и как найти КПД тепловой машины или механизма

Здравствуйте, уважаемые читатели блога7j.ru. Эта аббревиатура вряд ли требует расшифровки: она неизвестна разве что тем, у кого в школе был «неуд» по физике.

Но для забывчивых всё же напомним, что под этим сокращением скрывается коэффициент полезного действия. Что же собой представляет эта величина?

Поговорим о ней простым и понятным языком – это может пригодиться даже в повседневной жизни.

Что такое КПД в физике и какова его формула

Для выполнения какой-либо работы необходимо затратить определённое количество энергии. Чтобы ехал велосипед, вы тратите мышечную энергию крутя педали. Чтобы двигался автомобиль, используется энергия сжигаемого топлива (бензина, солярки или газа).

Для горения лампочки требуется энергия электрического тока. Список можно продолжать до бесконечности. Точку можно поставить на солнечной энергии, благодаря которой существует жизнь на Земле.

Далее возникает логичный вопрос: а насколько эффективно расходуется эта энергия? В идеале хотелось бы, чтобы вся она шла «в дело», то есть использовалась только по прямому назначению. Но, к сожалению, на практике такого не бывает.

Затраченная энергия будет всегда больше, чем полезная работа, так как для достижения основной цели (движение, подъём груза, освещение, отопление и т.д.) часть энергии неизбежно уйдёт на неустранимые потери (преодоление силы трения, нагрев электропроводки, выброс продуктов горения в атмосферу и т.д.). Понятно, что чем меньше такие потери, тем лучше.

Критерием того, насколько эффективно работает система (устройство, агрегат, двигатель, машина и т.д.), служит показатель, получивший название коэффициент полезного действия (КПД).

Иными словами, КПД показывает, какова доля полезной работы в общих энергозатратах. Математически КПД (чаще всего обозначается символом ŋ) определяется по формуле:

где A — полезная энергия (работа);
Q — энергия, затраченная на совершение полезной работы.

Понятно, что ŋ – величина безразмерная и не может быть больше единицы (да и равной единице она может быть чисто теоретически).

Выражается она в виде десятичной дроби либо в процентах (в последнем случае в формулу вставляется множитель х100).

Так, если КПД равен 0,9 (90%), то это значит, что 10% полезной мощности составили безвозвратные потери.

КПД теплового двигателя (машины)

Под тепловым двигателем понимается машина (агрегат), в которой энергия, высвобождающаяся в процессе расширения рабочего тела, преобразуется в механическую работу.

В качестве рабочего тела обычно выступает газ или газообразные вещества (пары бензина, водяной пар и т.п.).

Тепловые машины работают по замкнутому циклу. Это значит, что процесс преобразования энергии и сопутствующей теплопередачи периодически повторяется, а рабочее тело совершает круговой цикл, возвращаясь в исходное состояние.

К тепловым двигателям относятся:

  1. поршневые (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания);
  2. роторные/турбинные (газовые или паровые турбины АЭС и ТЭЦ);
  3. реактивные (авиация);
  4. ракетные (космическая техника).

Используя положения предыдущего параграфа, КПД тепловой машины можно сформулировать как отношение полезной работы, совершённой за один цикл, к энергии (количеству теплоты), поступившей от энергоносителя (нагревателя).

Тогда формулу (1) можно преобразовать следующим образом:

где Q1 — количество теплоты, полученное двигателем от нагревателя за цикл;
Q2 — количество теплоты, отданное двигателем охладителю (холодильнику) за цикл;
Q1 – Q2 – количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

Предположим, что Q1 = Q2, то есть на совершение полезной работы ничего не осталось – вся энергия «ушла в трубу». Тогда и КПД будет нулевым. Если же Q2 = 0, то есть вся энергия отдана полезной работе (потери отсутствуют), то КПД будет равен 1.

Но это теория, на практике ни то ни другое нереалистично. В первом случае двигатель просто бесполезен, во втором – идеален, но недосягаем.

Значения КПД для различных типов тепловых двигателей приведены ниже.

Самым большим КПД обладают тепловые двигатели, работающие на основе цикла Карно (процесс назван в честь французского инженера, открывшего это явление в 1824 г.). В термодинамике оно характеризует круговой цикл, включающий в себя две стадии: расширение и сжатие рабочего тела.

Причём на протяжении обеих стадий попеременно проходят два процесса: изотермический (протекающий при постоянной температуре), и адиабатический (протекающий без теплообмена с окружающей средой). Максимальное значение КПД здесь достигается за счёт того, что тела с разной температурой не контактируют, а значит, без осуществления работы теплопередача исключается.

КПД механизма — по какой формуле вычисляют

Человек придумал разнообразные механизмы, с помощью которых можно поднимать тяжёлые грузы на определённую высоту. Так, для подъёма ведра с водой из колодца изобрели ворот, для подъёма автомобиля – домкрат. При помощи лебёдки и наклонной плоскости египтяне построили свои грандиозные пирамиды.

Пользуясь этими приспособлениями, человек редко вспоминает об их КПД. В качестве примера рассмотрим этот показатель для наклонной плоскости.

Принцип расчёта КПД остаётся неизменным: нужно найти отношение полезной работы ко всей затраченной энергии. То есть опять-таки используем общую формулу (1), сделав соответствующие преобразования.

Предположим, тело массой m нужно поднять (точнее затолкать или затянуть) на высоту h. При постоянной скорости подъёма полезная работа будет равна произведению силы тяжести (mg) на высоту (h).

Читать еще:  Starline a61 запуск двигателя с брелка

Затраченная работа определяется произволением силы толчка или тяги F на длину наклонной плоскости L. Заметим, что толчковое (тяговое) усилие идёт на преодоление силы трения Fтр.

Таким образом, КПД такого простейшего механизма можно посчитать по формуле:

Несложный анализ показывает, что КПД наклонной плоскости обратно пропорционален силе трения и длине аппарели. Последняя, в свою очередь, зависит от угла наклона: чем он больше, тем короче аппарель.

Как можно увеличить КПД

Современная наука постоянно ищет пути повышения КПД двигателей и отдельных механизмов, внедряя новые технические решения и технологические инновации.

Чем выше будет КПД, тем экономичней будет двигатель, тем больше энергоресурсов удастся сберечь.

Тепловой двигатель

Из формулы (2) следует, что для увеличения КПД есть два пути: а) повышение температуры нагревателя; б) понижение температуры холодильника. Оба пути малоперспективны.

Нагреватель нельзя разогревать до бесконечности, так как любой материал имеет предел жаропрочности. Холодильником почти всегда служит окружающая среда, а внедрение в систему дополнительного теплообменника (например, баллона с жидким азотом) нецелесообразно: это резко увеличит вес, габариты и стоимость двигателя.

Установлено, что на КПД не влияют характеристики рабочего тела. Что же остаётся?

А остаётся немало практически реализуемых способов, таких как уменьшение трения в механических узлах, минимизация теплопотерь путём достижения максимально полного сгорания топлива, создание обтекаемых форм для снижения лобового сопоставления (воздуха или воды) и т.д.

Учитывая, что в механике хорошим показателем на сегодняшний день считается КПД 30-40%, учёным и практикам есть над чем работать.

Наклонная плоскость

Из формулы (3) следует, что для повышения КПД нужно снижать силу трения (прежде всего, путём создания гладких соприкасающихся поверхностей) и увеличивать угол наклона. Но! При крутом уклоне силёнок для поднятия тяжёлого груза может и не хватить.

В заключение отметим, что в электротехнике ситуация с КПД обстоит гораздо лучше (показатель в 95% для электродвигателя – норма). На то есть объективные причины, объяснение которых выходит за рамки рассматриваемой темы.

Какой КПД у двигателя автомобиля

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

Где теряется эффективность

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

  • Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
  • Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
  • Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

Дизель или бензин

А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.

Читать еще:  Выключатель запрещения запуска двигателя toyota mark 2

Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи , не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.

КПД ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

КПД двигателя внутреннего сгорания – 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).

Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания:
в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам;
в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем;
двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ.

Дизели — двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см. ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см. ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе — «тяговиты на низах»).
Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков:
большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес;
большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах;
меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты — медленнее набирают обороты.

Практически все автомобильные двигатели работают по циклу, состоящему из четырех тактов:

•впуск воздуха или его смеси с топливом;
•сжатие рабочей смеси,
•рабочий ход при сгорании рабочей смеси;
•выпуск отработавших газов.

Если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – 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.

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.

Тем не менее, для того чтобы повысить КПД бензинового двигателя, принимаются определенные меры. Например, на один цилиндр могут устанавливаться два впускных и выпускных клапана, вместо конструкции, когда размещается один впускной и один выпускной клапан. Кроме того, в некоторых двигателях на каждую свечу устанавливается отдельная катушка зажигания. Управление дроссельной заслонкой во многих случаях осуществляется с помощью электропривода, а не обыкновенным тросиком.

Понятно что, чем больше степень сжатия, тем меньше требуется топлива и тем больше процент КПД двигателя.

Дизель является одной из разновидностей двигателей внутреннего сгорания, в котором воспламенение рабочей смеси производится в результате сжатия. Поэтому давление воздуха в цилиндре намного выше, чем у бензинового двигателя. Сравнивая КПД дизельного двигателя с КПД других конструкций, можно отметить его наиболее высокую эффективность.

Следует обратить внимание на сравнительно небольшой расход дизельного топлива и низкое содержание вредных веществ в отработанных газах. Таким образом, значение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания полностью зависит от его типа и конструкции. Во многих автомобилях низкий КПД перекрывается различными усовершенствованиями, позволяющими улучшить общие технические характеристики.

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.

Читать еще:  Что такое статическая тяга одного двигателя

2) Второе это тепловые потери. 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 потребляет 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.

Определение КПД двигателя внутреннего сгорания. Найдите в технической документации мощность данного двигателя внутреннего сгорания. Залейте в него топливо, это может быть бензин или дизельное топливо, и заставьте проработать на максимальных оборотах некоторое время, которое замеряйте с помощью секундомера, в секундах. Слейте остатки и определите объем сгоревшего топлива, отняв от первоначального объема конечный. Найдите его массу, умножив объем, переведенный в м³, на его плотность в кг/ м³.

Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 15МДж потребовалось израсходовать 1,2 кг топлива с удельной теплотой сгорания 42 МДж/кг.

Примеры выполнения курсовых работ по электротехнике и электронике

Коэффициент полезного действия двигателя и потери мощности

Коэффициент полезного действия (КПД) двигателя определяется по формуле

где Р1 – мощность, подводимая к двигателю из сети; Р2 – полезная мощность на валу двигателя.

где – суммарные потери мощности.

Потери мощности можно разделить на постоянные и переменные.

Постоянные потери мощности – это такие потери, величина которых не зависит от нагрузки на валу двигателя. К постоянным потерям относятся:

К механическим потерям относятся потери, обусловленные трением в подшипниках, трением щеток по коллектору; трением якоря в воздухе и вентиляционным действием при вращении якоря и вентилятора двигателя, если он имеется.

Потери в стали (электромагнитные потери) обусловлены перемагничиванием материала сердечника (железа) якоря и вихревыми токами. Потери при перемагничивании материала сердечника пропорциональны площади петли гистерезиса, частоте перемагничивания (частоте вращения якоря) и максимальной величине индукции. Потери на вихревые токи пропорциональны частоте перемагничивания и квадрату магнитной индукции.

К добавочным потерям относятся потери в полюсных наконечниках, обусловленные пульсациями магнитного поля из-за наличия зубцов якоря, и другие трудноопределимые потери.

Переменные потери мощности – это потери, величина которых зависит от тока в обмотках якоря и возбуждения. К таким потерям относятся электрические потери .

где – потери мощности в обмотке якоря; – потери мощности в обмотке возбуждения.

Таким образом, суммарные потери мощности

5.12. Примеры расчета режимов работы двигателей

постоянного тока и построения механической характеристики

Определить номинальную мощность на валу двигателя, номинальный КПД, номинальный вращающий момент, пусковой ток при пуске двигателя без пускового реостата, сопротивление пускового реостата для условия Iп=2,5∙Iн и пусковой момент при пуске двигателя с реостатом. Построить механические характеристики двигателя. При решении считать магнитные и механические потери не зависящими от нагрузки.

1. Номинальная мощность на валу двигателя ,

где – потери мощности в двигателе; Р1н – потребляемая мощность.

Р1н=Uн∙Iн=220∙20,5=4510 Вт=4,51 кВт.

Для определения потерь в цепи якоря и в цепи возбуждения определим ток в цепи якоря Iя н и ток возбуждения Iв.

Iя н=Iн–Iв=20,5–0,85=19,65 А.

2. Потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения

3. Магнитные и механические потери ΔРм+ΔРмех=Р0–ΔРя0–ΔРв,

где Р0 – потребляемая двигателем мощность в режиме холостого хода; ΔРя0 – потери в обмотке якоря в режиме холостого хода.

=4510–805,3=3704,7 Вт=3,71 кВт.

4. Номинальный КПД .

5. Номинальный вращающий момент

6. Пусковой ток якоря двигателя при пуске без реостата

7. Сопротивление пускового реостата определим из уравнения

8. Определим пусковой момент двигателя при пуске с реостатом.

Известно, что вращающий момент двигателя М=СмФIя.

Для режима номинальной нагрузки Мн=СмФIя н;

для режима пуска Мп=СмФIя п.

Считая магнитный поток постоянным, имеем ,

9. Естественная механическая характеристика (рис. 106) согласно уравнению механической характеристики представляет собой прямую линию, которая строится по двум точкам с координатами: 1) М=0, n0; 2) Мн, nн.

Координаты первой точки относятся к режиму идеального холостого хода. Частота вращения идеального холостого хода

где Ен=Uн–Iя н∙Rя=220–19,65∙0,75=205 В.

Координаты второй точки относятся к номинальному режиму

Мн=34,6 Н∙м; nн=1025 .

Рис. 106. Механические характеристики двигателя:

1 – естественная; 2 – искусственная

Искусственная механическая характеристика (см. рис. 106), как и естественная, строится по двум точкам с координатами: 1) М=0, n0; 2) Мн, nн.

Для построения искусственной механической характеристики необходимо рассчитать частоту вращения якоря при введенном в цепь якоря дополнительном сопротивлении и номинальном моменте на валу. Этот расчет можно произвести по уравнению скоростной характеристики

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector