Какво означава "коефициент на ефективност"? Ефективност на двигател с вътрешно горене - познаваме ефективността в сравнение

Коефициент на ефективност (COP) - термин, който може да се приложи, може би, за всяка система и устройство. Дори човек има ефективност, но 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.

дефиниция на ефективност

Ефективността е показател, който характеризира ефективността на определена система по отношение на връщането или преобразуването на енергия. Ефективността е неизмерима стойност и се представя или като числова стойност в диапазона от 0 до 1, или като процент.

Обща формула

Ефективността се обозначава със символа Ƞ.

Общата математическа формула за намиране на ефективността е написана, както следва:

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

Коефициентът на ефективност, за съжаление, винаги е по-малък от единица или равен на него, 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 отопление на механизма.

Ефективност на топлинния двигател

Топлинният двигател е устройство, което преобразува топлинната енергия в механична енергия. 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 източник, T2 е температурата на студения източник.

Ефективност на електродвигателя

Електрическият двигател 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 на електрическата енергия в механична енергия. Формулата за намиране на ефективността на електродвигател изглежда така:

Ƞ=P2/P1, където P1 е подадената електрическа мощност, P2 е полезната механична мощност, генерирана от двигателя.

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

ефективност на трансформатора

Трансформаторът е устройство, което преобразува променлив ток от едно напрежение в променлив ток от друго напрежение, като същевременно поддържа честота. В допълнение, трансформаторите могат също да преобразуват AC в DC.

Ефективността на трансформатора се намира по формулата:

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

Ефективност или неефективност?

Заслужава да се отбележи, че в допълнение към ефективността, има редица показатели, които характеризират ефективността на енергийните процеси, а понякога можем да намерим описания от типа - ефективност от порядъка на 130%, но в този случай трябва да се разбере, че терминът не се използва съвсем правилно и най-вероятно авторът или производителят разбира малко по-различна характеристика под това съкращение.

Например, термопомпите се отличават с това, че могат да отделят повече топлина, отколкото консумират. По този начин хладилната машина може да отнеме повече топлина от охлаждания обект, отколкото се изразходва в енергиен еквивалент за организацията на отстраняването. Показателят за ефективност на хладилната машина се нарича коефициент на полезно действие, обозначава се с буквата Ɛ и се определя по формулата: Ɛ=Qx/A, където Qx е топлината, отведена от студения край, A е работата, изразходвана за процес на премахване. Въпреки това, понякога коефициентът на ефективност се нарича още ефективност на хладилната машина.

Интересно е също, че ефективността на котлите, работещи с изкопаеми горива, обикновено се изчислява на базата на по-ниската калоричност, докато тя може да се окаже повече от една. Въпреки това все още традиционно се нарича ефективност. Възможно е да се определи ефективността на котела по брутната 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 данните на други инсталации.

Съвременните реалности включват широко разпространена работа на топлинни двигатели. Многобройните опити за замяната им с електрически двигатели досега са се провалили. Проблемите, свързани с натрупването на електроенергия в автономните системи, се решават много трудно.

Все още са актуални проблемите на технологията за производство на електрически акумулатори, като се има предвид тяхната дългосрочна употреба. Скоростните характеристики на електрическите превозни средства са далеч от тези на автомобилите с двигатели с вътрешно горене.

Първите стъпки към създаването на хибридни двигатели могат значително да намалят вредните емисии в мегаполисите, решавайки екологичните проблеми.

Малко история

Възможността за преобразуване на енергията на парата в енергия на движение е известна още в древността. 130 пр. н. е.: Философ Херон от Александрия представи на публиката парна играчка - еолипил. Сфера, пълна с пара, започна да се върти под действието на струи, излизащи от нея. Този прототип на модерни парни турбини не намери приложение в онези дни.

В продължение на много години и векове развитието на философа се смяташе само за забавна играчка. През 1629 г. италианецът Д. Бранчи създава активна турбина. Парата задвижи диск, оборудван с остриета.

От този момент започва бързото развитие на парните машини.

топлинен двигател

Превръщането на горивото в енергия за движение на части на машини и механизми се използва в топлинните двигатели.

Основните части на машините: нагревател (система за получаване на енергия отвън), работна течност (извършва полезно действие), хладилник.

Нагревателят е проектиран да гарантира, че работният флуид е натрупал достатъчно количество вътрешна енергия за извършване на полезна работа. Хладилникът премахва излишната енергия.

Основната характеристика на ефективността се нарича ефективност на топлинните двигатели. Тази стойност показва каква част от енергията, изразходвана за отопление, се изразходва за извършване на полезна работа. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-рентабилна е работата на машината, но тази стойност не може да надвишава 100%.

Изчисляване на ефективността

Нека нагревателят получи отвън енергия, равна на Q 1 . Работният флуид извърши работа A, докато енергията, дадена на хладилника, беше Q 2 .

Въз основа на дефиницията изчисляваме ефективността:

η= A / Q 1 . Вземаме предвид, че A \u003d Q 1 - Q 2.

Оттук ефективността на топлинния двигател, чиято формула има формата η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, ни позволява да направим следните заключения:

Ефективността не може да надвишава 1 (или 100%);
за да се увеличи максимално тази стойност, е необходимо или увеличаване на енергията, получена от нагревателя, или намаляване на енергията, подадена към хладилника;
увеличаване на енергията на нагревателя се постига чрез промяна на качеството на горивото;
намаляване на енергията, дадена на хладилника, правят възможно постигането на конструктивните характеристики на двигателите.

Идеален топлинен двигател

Възможно ли е да се създаде такъв двигател, чиято ефективност ще бъде максимална (в идеалния случай равна на 100%)? Френският теоретичен физик и талантлив инженер Сади Карно се опита да намери отговора на този въпрос. През 1824 г. неговите теоретични изчисления за процесите, протичащи в газовете, са оповестени публично.

Основната идея зад идеалната машина е да се извършват обратими процеси с идеален газ. Започваме с изотермичното разширение на газа при температура T 1 . Количеството топлина, необходимо за това, е Q 1. След като газът се разширява без топлообмен, след като достигне температурата T 2, газът се компресира изотермично, предавайки енергията Q 2 на хладилника. Връщането на газа в първоначалното му състояние е адиабатно.

Ефективността на идеалната топлинна машина на Карно, когато е точно изчислена, е равна на съотношението на температурната разлика между нагревателните и охлаждащите устройства към температурата, която има нагревателят. Изглежда така: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Възможната ефективност на топлинен двигател, чиято формула е: η= 1 - T 2 / T 1 зависи само от температурата на нагревателя и охладителя и не може да бъде повече от 100%.

Освен това това съотношение ни позволява да докажем, че ефективността на топлинните двигатели може да бъде равна на единица само когато хладилникът достигне температури. Както знаете, тази стойност е недостижима.

Теоретичните изчисления на Карно позволяват да се определи максималната ефективност на топлинен двигател от всякакъв дизайн.

Теоремата, доказана от Карно, е следната. Произволна топлинна машина при никакви обстоятелства не може да има коефициент на полезно действие, по-голям от подобна стойност на ефективността на идеална топлинна машина.

Пример за решаване на проблем

Пример 1 Каква е ефективността на идеална топлинна машина, ако температурата на нагревателя е 800°C, а температурата на хладилника е с 500°C по-ниска?

T 1 \u003d 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C \u003d 500 K, η -?

По дефиниция: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Не ни е дадена температурата на хладилника, а ∆T = (T 1 - T 2), оттук:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Отговор: ефективност = 46%.

Пример 2 Определете коефициента на полезно действие на идеална топлинна машина, ако поради придобития един килоджаул нагревателна енергия е извършена полезна работа 650 J. Каква е температурата на нагревателя на топлинната машина, ако температурата на охлаждащата течност е 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 =?

В тази задача говорим за термична инсталация, чиято ефективност може да се изчисли по формулата:

За да определим температурата на нагревателя, използваме формулата за ефективност на идеална топлинна машина:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

След като извършим математически трансформации, получаваме:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

Нека изчислим:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.

Отговор: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K.

Реални условия

Идеалният топлинен двигател е проектиран с идеални процеси в ума. Работата се извършва само при изотермични процеси, нейната стойност се определя като площта, ограничена от графиката на цикъла на Карно.

Всъщност е невъзможно да се създадат условия за процеса на промяна на състоянието на газ без съпътстващи промени в температурата. Няма материали, които да изключват топлообмен с околните предмети. Адиабатичният процес вече не е възможен. При пренос на топлина температурата на газа трябва задължително да се промени.

Ефективността на топлинните двигатели, създадени в реални условия, се различава значително от ефективността на идеалните двигатели. Имайте предвид, че процесите в реалните двигатели са толкова бързи, че изменението на вътрешната топлинна енергия на работното вещество в процеса на промяна на обема му не може да бъде компенсирано от притока на топлина от нагревателя и връщането към охладителя.

Други топлинни двигатели

Реалните двигатели работят на различни цикли:

Цикъл на Ото: процесът при постоянен обем се променя адиабатично, създавайки затворен цикъл;
Дизелов цикъл: изобара, адиабат, изохор, адиабат;
процесът, протичащ при постоянно налягане, се заменя с адиабатен, затваряйки цикъла.

Не е възможно да се създадат равновесни процеси в реалните двигатели (да се доближат до идеалните) в условията на съвременната технология. Ефективността на термичните двигатели е много по-ниска, дори като се вземат предвид същите температурни режими, както при идеална термична инсталация.

Но не трябва да намалявате ролята на формулата за изчисляване на ефективността, тъй като тя се превръща в отправна точка в процеса на работа за повишаване на ефективността на реалните двигатели.

Начини за промяна на ефективността

Когато сравняваме идеални и реални топлинни двигатели, заслужава да се отбележи, че температурата на хладилника на последния не може да бъде никаква. Обикновено атмосферата се счита за хладилник. Температурата на атмосферата може да се вземе само при приблизителни изчисления. Опитът показва, че температурата на охлаждащата течност е равна на температурата на отработените газове в двигателите, както е при двигателите с вътрешно горене (съкратено ДВГ).

ICE е най-често срещаният топлинен двигател в нашия свят. Ефективността на топлинния двигател в този случай зависи от температурата, създадена от горящото гориво. Съществена разлика между двигателя с вътрешно горене и парните машини е сливането на функциите на нагревателя и работния флуид на устройството в сместа въздух-гориво. Изгаряйки, сместа създава натиск върху движещите се части на двигателя.

Повишаването на температурата на работните газове се постига чрез значително изменение на свойствата на горивото. За съжаление не е възможно това да се прави безкрайно. Всеки материал, от който е направена горивната камера на двигателя, има своя собствена точка на топене. Топлинната устойчивост на такива материали е основната характеристика на двигателя, както и способността значително да повлияе на ефективността.

Стойности на ефективността на двигателя

Ако вземем предвид температурата на работната пара на входа на която е 800 K, а изгорелите газове са 300 K, тогава ефективността на тази машина е 62%. В действителност тази стойност не надвишава 40%. Такова намаление възниква поради топлинни загуби по време на нагряване на корпуса на турбината.

Най-високата стойност на вътрешното горене не надвишава 44%. Увеличаването на тази стойност е въпрос на близко бъдеще. Промяната на свойствата на материалите, горивата е проблем, върху който работят най-добрите умове на човечеството.

Коефициент на ефективност (COP)е мярка за ефективността на дадена система по отношение на преобразуването или трансфера на енергия, която се определя от съотношението на полезно използваната енергия към общата енергия, получена от системата.

ефективност- стойността е безразмерна, обикновено се изразява като процент:

Коефициентът на полезно действие (COP) на топлинен двигател се определя по формулата: , където A = Q1Q2. Ефективността на топлинния двигател винаги е по-малка от 1.

Цикъл на Карно- Това е обратим кръгов газов процес, който се състои от два последователни изотермични и два адиабатични процеса, извършвани с работен флуид.

Кръговият цикъл, който включва две изотерми и две адиабати, съответства на максималната ефективност.

Френският инженер Сади Карно през 1824 г. извежда формула за максималната ефективност на идеална топлинна машина, където работният флуид е идеален газ, чийто цикъл се състои от две изотерми и две адиабати, т.е. цикълът на Карно. Цикълът на Карно е реалният работен цикъл на топлинен двигател, който извършва работа поради топлината, подадена към работния флуид в изотермичен процес.

Формулата за ефективността на цикъла на Карно, т.е. максималната ефективност на топлинния двигател, е: , където Т1 е абсолютната температура на нагревателя, Т2 е абсолютната температура на хладилника.

Топлинни двигатели- Това са конструкции, в които топлинната енергия се преобразува в механична.

Топлинните двигатели са разнообразни както по конструкция, така и по предназначение. Те включват парни двигатели, парни турбини, двигатели с вътрешно горене, реактивни двигатели.

Въпреки това, въпреки разнообразието, има общи черти в принципа на работа на различните топлинни двигатели. Основните компоненти на всяка топлинна машина:

нагревател;
работен орган;
хладилник.

Нагревателят отделя топлинна енергия, като същевременно загрява работната течност, която се намира в работната камера на двигателя. Работната течност може да бъде пара или газ.

Приемайки количеството топлина, газът се разширява, т.к. неговото налягане е по-голямо от външното налягане и движи буталото, произвеждайки положителна работа. В същото време налягането му пада, а обемът му се увеличава.

Ако компресираме газа, преминавайки през същите състояния, но в обратна посока, тогава ще извършим същата абсолютна стойност, но отрицателна работа. В резултат на това цялата работа за цикъла ще бъде равна на нула.

За да бъде работата на топлинния двигател различна от нула, работата по компресирането на газа трябва да бъде по-малка от работата по разширението.

За да стане работата на компресията по-малка от работата на разширението, е необходимо процесът на компресия да се извършва при по-ниска температура, за това работният флуид трябва да се охлади, следователно в дизайна на устройството е включен хладилник топлинен двигател. Работният флуид отдава количеството топлина на хладилника, когато е в контакт с него.

Известно е, че вечен двигател е невъзможен. Това се дължи на факта, че за всеки механизъм е вярно твърдението: общата работа, извършена с помощта на този механизъм (включително нагряване на механизма и околната среда, за преодоляване на силата на триене) винаги е 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, осъществимостта на неговото използване. Следователно, за да се изчисли каква част от извършената работа се губи и каква е полезна, се въвежда специална физическа величина, която 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 (прочетете "това"). Ефективността се обозначава съкратено като ефективност.

η \u003d (A_пълно / A_полезно) * 100%,

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

Сред двигателите електродвигателят има най-висока ефективност (до 98%). КПД на двигатели с вътрешно горене 20% - 40%, парна турбина около 30%.

Имайте предвид, че за повишаване на ефективността на механизмачесто се опитват да намалят 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 изчисляване на ефективността

Помислете за пример.Велосипедист с маса 55 kg изкачва хълм с маса 5 kg, чиято височина е 10 m, като извършва работа с 8 kJ. Намерете ефективността на мотора. Не се взема предвид триенето на колелата върху пътя.

Решение.Намерете общата маса на велосипеда и велосипедиста:

m = 55 кг + 5 кг = 60 кг

Нека намерим общото им тегло:

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

Намерете работата, извършена при повдигане на велосипеда и велосипедиста:

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

Нека намерим ефективността на мотора:

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

Отговор:Ефективността на велосипеда е 75%.

Нека разгледаме още един 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.Намерете работата, извършена от силата F:

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

Ефективността е характеристика на ефективността на устройство или машина. Ефективността се определя като съотношението на полезната енергия на изхода на системата към общото количество енергия, доставена на системата. Ефективността е безразмерна и често се изразява като процент.

Формула 1 - ефективност

Където- Аполезна работа

—Qобщата изразходвана работа

Всяка система, която извършва каквато и да е работа, трябва да получава енергия отвън, с помощта на която ще се извършва работата. Вземете например трансформатор на напрежение. На входа се прилага мрежово напрежение от 220 волта, 12 волта се отстраняват от изхода за захранване, например, на лампа с нажежаема жичка. Така че трансформаторът преобразува енергията на входа до необходимата стойност, при която лампата ще работи.

Но не цялата енергия, взета от мрежата, ще отиде към лампата, тъй като има загуби в трансформатора. Например загубата на магнитна енергия в сърцевината на трансформатор. Или загуби в активното съпротивление на намотките. Където електрическата енергия ще се преобразува в топлина, без да достига до потребителя. Тази топлинна енергия в тази система е безполезна.

Тъй като загубите на мощност не могат да бъдат избегнати във всяка система, ефективността винаги е под единица.

Ефективността може да се разглежда като цялостна система, състояща се от множество отделни части. Така че, за да се определи ефективността за всяка част поотделно, тогава общата ефективност ще бъде равна на произведението на ефективността на всички нейни елементи.

В заключение можем да кажем, че ефективността определя нивото на съвършенство на всяко устройство в смисъл на пренос или преобразуване на енергия. Той също така показва колко енергия, доставена на системата, се изразходва за полезна работа.