Mida tähendab "jõudluskoefitsient"? Sisepõlemismootori kasutegur – me teame efektiivsust võrdluses

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 väärtus ja seda esitatakse kas numbrilise väärtusena vahemikus 0 kuni 1 või protsentides.

Üldvalem

Tõhusust tähistab sümbol Ƞ.

Üldine matemaatiline valem efektiivsuse leidmiseks 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 muudab soojusenergia mehaaniliseks energiaks. 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, seega kasutegur on antud juhul seadme efektiivsuse suhe elektrienergia muundamise suhtes mehaaniliseks energiaks. Elektrimootori efektiivsuse leidmise valem näeb välja järgmine:

Ƞ=P2/P1, kus P1 on tarnitud elektrienergia, P2 on mootori poolt genereeritud kasulik mehaaniline võimsus.

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 muudab ühe pinge vahelduvvoolu teise pinge vahelduvvooluks, säilitades samal ajal sageduse. Lisaks saavad trafod muuta vahelduvvoolu alalisvooluks.

Trafo kasutegur leitakse järgmise valemi abil:

Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), kus P0 - tühikäigukaod, PL - koormuskaod, P2 - koormusele antud aktiivvõimsus, n - suhteline koormusaste.

Tõhusus või mittetõhusus?

Väärib märkimist, et lisaks efektiivsusele on mitmeid näitajaid, mis iseloomustavad energiaprotsesside efektiivsust ja mõnikord võime leida tüübi kirjeldusi - efektiivsus suurusjärgus 130%, kuid sel juhul on vaja mõista, et 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.

Kaasaegne reaalsus hõlmab soojusmasinate laialdast kasutamist. Arvukad katsed neid elektrimootoritega asendada on seni ebaõnnestunud. Autonoomsetes süsteemides elektri kogunemisega seotud probleemid lahendatakse suurte raskustega.

Endiselt on aktuaalsed elektriakude tootmise tehnoloogiaprobleemid, võttes arvesse nende pikaajalist kasutamist. Elektrisõidukite kiirusomadused on kaugel sisepõlemismootoriga autode omadest.

Esimesed sammud hübriidmootorite loomise suunas võivad märkimisväärselt vähendada kahjulikke heitkoguseid megalinnades, lahendades keskkonnaprobleeme.

Natuke ajalugu

Võimalus auruenergiat liikumisenergiaks muuta oli tuntud juba antiikajal. 130 eKr: Aleksandria filosoof Heron esitles publikule aurumänguasja – aeolipiili. Auruga täidetud kera hakkas sellest väljuvate jugade toimel pöörlema. See kaasaegsete auruturbiinide prototüüp ei leidnud neil päevil rakendust.

Aastaid ja sajandeid peeti filosoofi arengut ainult lõbusaks mänguasjaks. 1629. aastal lõi itaallane D. Branchi aktiivse turbiini. Aur pani teradega varustatud ketta liikuma.

Sellest hetkest algas aurumasinate kiire areng.

soojusmootor

Kütuse muundamist energiaks masinate ja mehhanismide osade liikumiseks kasutatakse soojusmasinates.

Masinate põhiosad: küttekeha (süsteem energia saamiseks väljastpoolt), töövedelik (teostab kasulikku toimingut), külmik.

Küttekeha on konstrueeritud tagama, et töövedelik on kogunud piisava sisemise energiavaru kasuliku töö tegemiseks. Külmkapp eemaldab liigse energia.

Tõhususe peamist omadust nimetatakse soojusmasinate efektiivsuseks. See väärtus näitab, milline osa küttele kuluvast energiast kulub kasuliku töö tegemiseks. Mida suurem on efektiivsus, seda tulusam on masina töö, kuid see väärtus ei tohi ületada 100%.

Tõhususe arvutamine

Küttekeha omandab väljastpoolt energia, mis võrdub Q 1 . Töövedelik töötas A, samas kui külmikusse antud energia oli Q 2 .

Definitsiooni põhjal arvutame efektiivsuse:

η = A/Q1. Arvestame, et A \u003d Q 1 - Q 2.

Siit lähtuvalt võimaldab soojusmasina efektiivsus, mille valem on kujul η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, teha järgmised järeldused:

Kasutegur ei tohi ületada 1 (või 100%);
selle väärtuse maksimeerimiseks on vajalik kas küttekehast saadava energia suurendamine või külmikule antava energia vähendamine;
küttekeha energia kasv saavutatakse kütuse kvaliteedi muutmisega;
vähendades külmikule antavat energiat, võimaldavad saavutada mootorite disainiomadused.

Ideaalne soojusmootor

Kas on võimalik luua sellist mootorit, mille kasutegur oleks maksimaalne (ideaaljuhul võrdne 100%)? Sellele küsimusele püüdis vastust leida prantsuse teoreetiline füüsik ja andekas insener Sadi Carnot. 1824. aastal avalikustati tema teoreetilised arvutused gaasides toimuvate protsesside kohta.

Ideaalse masina põhiidee on pööratavad protsessid ideaalse gaasiga. Alustame gaasi isotermilisest paisumisest temperatuuril T 1 . Selleks vajalik soojushulk on Q 1. Pärast gaasi paisumist ilma soojusvahetuseta.. Saavutanud temperatuuri T 2, surutakse gaas isotermiliselt kokku, kandes energia Q 2 üle külmikusse. Gaasi tagasipöördumine algsesse olekusse on adiabaatiline.

Ideaalse Carnot’ soojusmootori kasutegur on täpselt arvutatuna võrdne kütte- ja jahutusseadmete temperatuuride erinevuse ja kütteseadme temperatuuride vahekorraga. See näeb välja selline: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Soojusmasina, mille valem on: η= 1 - T 2 / T 1 , võimalik kasutegur sõltub ainult küttekeha ja jahuti temperatuurist ega tohi olla suurem kui 100%.

Pealegi võimaldab see suhe tõestada, et soojusmasinate kasutegur võib olla võrdne ühtsusega ainult siis, kui külmik saavutab temperatuuri. Nagu teate, on see väärtus kättesaamatu.

Carnot’ teoreetilised arvutused võimaldavad määrata mis tahes konstruktsiooniga soojusmasina maksimaalse efektiivsuse.

Carnot' tõestatud teoreem on järgmine. Suvalise soojusmasina kasutegur ei saa mingil juhul olla suurem kui ideaalse soojusmasina samasugune kasutegur.

Näide probleemi lahendamisest

Näide 1 Kui suur on ideaalse soojusmasina kasutegur, kui küttekeha temperatuur on 800°C ja külmiku temperatuur 500°C madalam?

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

Definitsiooni järgi: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Meile ei anta külmiku temperatuuri, vaid ∆T = (T 1 - T 2), siit:

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

Vastus: efektiivsus = 46%.

Näide 2 Määrake ideaalse soojusmasina kasutegur, kui tänu omandatud ühe kilodžauli küttekeha energiale tehakse kasulikku tööd 650 J Mis on soojusmasina küttekeha temperatuur, kui jahutusvedeliku temperatuur on 400 K?

Q 1 \u003d 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 \u003d?

Selles ülesandes räägime soojuspaigaldist, mille efektiivsust saab arvutada valemiga:

Küttekeha temperatuuri määramiseks kasutame ideaalse soojusmasina efektiivsuse valemit:

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

Pärast matemaatiliste teisenduste sooritamist saame:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

Arvutame:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

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

Reaalsed tingimused

Ideaalne soojusmootor on loodud ideaalseid protsesse silmas pidades. Tööd tehakse ainult isotermilistes protsessides, selle väärtus on määratletud Carnot' tsükli graafikuga piiratud alana.

Tegelikult on võimatu luua tingimusi gaasi oleku muutmise protsessiks ilma temperatuurimuutusteta. Puuduvad materjalid, mis välistaks soojusvahetuse ümbritsevate objektidega. Adiabaatiline protsess pole enam võimalik. Soojusülekande korral peab gaasi temperatuur tingimata muutuma.

Reaalsetes tingimustes loodud soojusmasinate kasutegur erineb oluliselt ideaalsete mootorite kasutegurist. Pange tähele, et päris mootorites on protsessid nii kiired, et tööaine sisemise soojusenergia muutumist selle mahu muutmise protsessis ei saa kompenseerida soojuse sissevooluga küttekehast ja tagasivooluga jahutisse.

Muud soojusmasinad

Päris mootorid töötavad erinevatel tsüklitel:

Otto tsükkel: protsess konstantsel mahul muutub adiabaatiliselt, luues suletud tsükli;
Diisli tsükkel: isobar, adiabat, isohhor, adiabat;
konstantsel rõhul toimuv protsess asendatakse adiabaatilisega, mis sulgeb tsükli.

Tasakaaluprotsesse reaalsetes mootorites luua (lähendada neid ideaalsetele) kaasaegse tehnoloogia tingimustes ei ole võimalik. Soojusmootorite kasutegur on palju madalam, isegi kui võtta arvesse samu temperatuurirežiime, mis ideaalses soojuspaigaldises.

Kuid te ei tohiks vähendada kasuteguri arvutamise valemi rolli, kuna see on lähtepunktiks tegelike mootorite efektiivsuse suurendamise protsessis.

Tõhususe muutmise viisid

Kui võrrelda ideaalseid ja tõelisi soojusmasinaid, siis tasub teada, et viimaste külmiku temperatuur ei saa olla suvaline. Tavaliselt peetakse atmosfääri külmkapiks. Atmosfääri temperatuuri saab võtta ainult ligikaudsete arvutustega. Kogemused näitavad, et jahutusvedeliku temperatuur on võrdne mootorites olevate heitgaaside temperatuuriga, nagu see on sisepõlemismootorite (lühendatult sisepõlemismootorite) puhul.

ICE on meie maailma kõige levinum soojusmootor. Soojusmasina kasutegur sõltub sel juhul põleva kütuse tekitatud temperatuurist. Sisepõlemismootori ja aurumasinate oluline erinevus on küttekeha ja seadme töövedeliku funktsioonide ühendamine õhu-kütuse segus. Põlemisel tekitab segu mootori liikuvatele osadele survet.

Töögaaside temperatuuri tõus saavutatakse kütuse omaduste olulise muutmisega. Kahjuks pole seda võimalik lõputult teha. Igal materjalil, millest mootori põlemiskamber on valmistatud, on oma sulamistemperatuur. Selliste materjalide kuumakindlus on mootori peamine omadus, samuti võime oluliselt mõjutada tõhusust.

Mootori efektiivsuse väärtused

Kui arvestada tööauru temperatuuri, mille sisselaskeava juures on 800 K ja heitgaasi 300 K, siis on selle masina kasutegur 62%. Tegelikkuses ei ületa see väärtus 40%. Selline langus tuleneb soojuskadudest turbiini korpuse kuumutamisel.

Sisepõlemise kõrgeim väärtus ei ületa 44%. Selle väärtuse suurendamine on lähituleviku küsimus. Materjalide ja kütuste omaduste muutmine on probleem, mille kallal inimkonna parimad vaimud töötavad.

Tõhususe tegur (COP) on süsteemi efektiivsuse mõõt energia muundamise või ülekande seisukohalt, mis määratakse kasulikult kasutatud energia ja süsteemi vastuvõetud koguenergia suhtega.

tõhusust- väärtus on mõõtmeteta, seda väljendatakse tavaliselt protsentides:

Soojusmasina jõudluskoefitsient (COP) määratakse valemiga: , kus A = Q1Q2. Soojusmasina kasutegur on alati väiksem kui 1.

Carnot' tsükkel- See on pöörduv tsirkulaarne gaasiprotsess, mis koosneb kahest järjestikusest isotermilisest ja kahest adiabaatilisest protsessist, mis viiakse läbi töövedelikuga.

Ringikujuline tsükkel, mis sisaldab kahte isotermi ja kahte adiabaati, vastab maksimaalsele efektiivsusele.

Prantsuse insener Sadi Carnot tuletas 1824. aastal ideaalse soojusmasina maksimaalse kasuteguri valemi, kus töövedelikuks on ideaalne gaas, mille tsükkel koosnes kahest isotermist ja kahest adiabaadist ehk Carnot tsüklist. Carnot' tsükkel on soojusmasina tegelik töötsükkel, mis teeb tööd tänu isotermilisel protsessil töövedelikule antud soojusele.

Carnot' tsükli efektiivsuse, st soojusmasina maksimaalse efektiivsuse valem on järgmine: , kus T1 on küttekeha absoluutne temperatuur, T2 on külmiku absoluutne temperatuur.

Soojusmootorid- Need on struktuurid, milles soojusenergia muundatakse mehaaniliseks energiaks.

Soojusmootorid on mitmekesised nii disaini kui ka otstarbe poolest. Nende hulka kuuluvad aurumasinad, auruturbiinid, sisepõlemismootorid, reaktiivmootorid.

Kuid vaatamata mitmekesisusele on erinevate soojusmasinate tööpõhimõttes ühiseid jooni. Iga soojusmasina põhikomponendid:

kütteseade;
tööorgan;
külmkapp.

Kütteseade vabastab soojusenergiat, soojendades samal ajal töövedelikku, mis asub mootori töökambris. Töövedelik võib olla aur või gaas.

Võttes vastu soojushulga, paisub gaas, sest. selle rõhk on suurem kui välisrõhk ja liigutab kolbi, andes positiivse töö. Samal ajal selle rõhk langeb ja maht suureneb.

Kui surume gaasi kokku, läbides samu olekuid, kuid vastupidises suunas, siis teeme sama absoluutväärtuse, kuid negatiivse töö. Selle tulemusena võrdub kogu tsükli töö nulliga.

Selleks, et soojusmasina töö oleks nullist erinev, peab gaasi kokkusurumise töö olema väiksem kui paisumistöö.

Selleks, et kokkusurumistöö muutuks paisumistööst väiksemaks, on vajalik, et kokkusurumisprotsess toimuks madalamal temperatuuril, selleks tuleb töövedelikku jahutada, seetõttu on külmiku konstruktsioonis külmik. soojusmootor. Töövedelik annab sellega kokkupuutel külmikusse soojushulga.

On teada, et igiliikur on võimatu. See on tingitud asjaolust, et iga mehhanismi puhul kehtib väide: selle mehhanismi abil tehtud kogutöö (sh mehhanismi ja keskkonna soojendamine, 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. Seetõttu, et arvutada, milline osa tehtud tööst läheb raisku ja milline on kasulik, võetakse kasutusele spetsiaalne füüsikaline suurus, mis näitab mehhanismi efektiivsust.

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 võrdub mg-ga, on keha tõusnud kõrgusele Fhη / 100 / mg.

Tõhusus on seadme või masina tõhususe tunnus. Tõhusust defineeritakse kui süsteemi väljundis oleva kasuliku energia suhet süsteemi tarnitud energia koguhulgasse. Tõhusus on mõõtmeteta ja seda väljendatakse sageli protsentides.

Vormel 1 – efektiivsus

kus- A kasulikku tööd

—K kulutatud töö kogusumma

Iga süsteem, mis teeb mis tahes tööd, peab saama energia väljastpoolt, mille abil tööd tehakse. Võtame näiteks pingetrafo. Sisendile rakendatakse võrgupinge 220 volti, 12 volti eemaldatakse väljundist näiteks hõõglambi toitele. Nii muundab trafo sisendis oleva energia vajalikuks väärtuseks, mille juures lamp töötab.

Kuid mitte kogu võrgust võetud energia ei lähe lampi, kuna trafos on kadusid. Näiteks magnetenergia kadu trafo südamikus. Või kaod mähiste aktiivtakistusest. Kus elektrienergia muundatakse soojuseks ilma tarbijani jõudmata. See soojusenergia selles süsteemis on kasutu.

Kuna võimsuskadusid ei saa üheski süsteemis vältida, jääb kasutegur alati alla ühiku.

Tõhusust võib pidada kogu süsteemi jaoks, mis koosneb paljudest eraldi osadest. Seega, et määrata iga osa tõhusus eraldi, võrdub koguefektiivsus kõigi selle elementide efektiivsuse korrutisega.

Kokkuvõtteks võib öelda, et efektiivsus määrab iga seadme täiuslikkuse taseme energia ülekandmise või muundamise mõttes. Samuti näitab see, kui palju süsteemi tarnitud energiat kasulikule tööle kulutatakse.