Što znači "koeficijent učinka"? Učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem – učinkovitost znamo u usporedbi

Koeficijent učinkovitosti (COP) - pojam koji se može primijeniti, možda, na svaki sustav i uređaj. Čak i osoba ima učinkovitost, iako vjerojatno još nema objektivne formule za njezino pronalaženje. U ovom članku ćemo detaljno objasniti što je učinkovitost i kako se može izračunati za različite sustave.

definicija učinkovitosti

Učinkovitost je pokazatelj koji karakterizira učinkovitost određenog sustava u odnosu na povrat ili pretvorbu energije. Učinkovitost je nemjerljiva vrijednost i predstavlja se ili kao brojčana vrijednost u rasponu od 0 do 1 ili kao postotak.

Opća formula

Učinkovitost je označena simbolom Ƞ.

Opća matematička formula za pronalaženje učinkovitosti napisana je na sljedeći način:

Ƞ=A/Q, gdje je A korisna energija/rad koji obavlja sustav, a Q je energija koju ovaj sustav troši da organizira proces dobivanja korisnog izlaza.

Faktor učinkovitosti je, nažalost, uvijek manji od jedan ili jednak njemu, jer prema zakonu održanja energije ne možemo dobiti više rada od utrošene energije. Osim toga, učinkovitost je, zapravo, izuzetno rijetko jednaka jedinici, budući da je koristan rad uvijek popraćen gubicima, na primjer, za zagrijavanje mehanizma.

Učinkovitost toplinskog motora

Toplinski stroj je uređaj koji toplinsku energiju pretvara u mehaničku. U toplinskom stroju rad je određen razlikom između količine topline primljene od grijača i količine topline predane hladnjaku, pa se stoga učinkovitost određuje formulom:

Ƞ=Qn-Qh/Qn, gdje je Qn količina topline primljena od grijača, a Qh je količina topline predana hladnjaku.

Vjeruje se da najveću učinkovitost osiguravaju motori koji rade na Carnotovom ciklusu. U ovom slučaju, učinkovitost se određuje formulom:

Ƞ=T1-T2/T1, gdje je T1 temperatura vrućeg izvora, T2 je temperatura hladnog izvora.

Učinkovitost elektromotora

Elektromotor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku, pa je učinkovitost u ovom slučaju omjer učinkovitosti uređaja u odnosu na pretvorbu električne energije u mehaničku. Formula za pronalaženje učinkovitosti elektromotora izgleda ovako:

Ƞ=P2/P1, gdje je P1 isporučena električna snaga, P2 je korisna mehanička snaga koju proizvodi motor.

Električna snaga se nalazi kao umnožak struje i napona sustava (P=UI), a mehanička snaga se nalazi kao omjer rada i jedinice vremena (P=A/t)

učinkovitost transformatora

Transformator je uređaj koji pretvara izmjeničnu struju jednog napona u izmjeničnu struju drugog napona uz zadržavanje frekvencije. Osim toga, transformatori također mogu pretvarati AC u DC.

Učinkovitost transformatora nalazi se formulom:

Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), gdje su P0 - gubici u praznom hodu, PL - gubici u opterećenju, P2 - aktivna snaga predana opterećenju, n - relativni stupanj opterećenja.

Učinkovitost ili neučinkovitost?

Važno je napomenuti da osim učinkovitosti, postoji niz pokazatelja koji karakteriziraju učinkovitost energetskih procesa, a ponekad možemo pronaći opise tipa - učinkovitost reda 130%, ali u ovom slučaju, morate shvatiti da izraz nije sasvim ispravno korišten i, najvjerojatnije, autor ili proizvođač pod ovom kraticom razumije nešto drugačiju karakteristiku.

Na primjer, dizalice topline se razlikuju po tome što mogu dati više topline nego što potroše. Dakle, rashladni stroj može odvesti više topline od objekta koji se hladi nego što je potrošeno u ekvivalentu energije za organizaciju odvođenja. Pokazatelj učinkovitosti rashladnog stroja naziva se koeficijent učinka, označava se slovom Ɛ i određuje se formulom: Ɛ=Qx/A, gdje je Qx toplina odvedena iz hladnog kraja, A je rad utrošen na postupak uklanjanja. Međutim, ponekad se koeficijent učinka naziva i učinkovitost rashladnog stroja.

Zanimljivo je i da se učinkovitost kotlova na fosilna goriva obično izračunava na temelju donje ogrjevne vrijednosti, a može ispasti i više od jedan. Međutim, još uvijek se tradicionalno naziva učinkovitost. Učinkovitost kotla moguće je odrediti prema bruto ogrjevnoj vrijednosti i tada će ona uvijek biti manja od jedan, ali u tom slučaju bit će nezgodno uspoređivati učinak kotlova s podacima drugih instalacija.

Suvremene stvarnosti uključuju široko rasprostranjen rad toplinskih motora. Brojni pokušaji da ih se zamijeni elektromotorima dosad su propali. Problemi povezani s akumulacijom električne energije u autonomnim sustavima rješavaju se s velikim poteškoćama.

I dalje su aktualni problemi tehnologije proizvodnje akumulatora električne energije s obzirom na njihovu dugotrajnu upotrebu. Brzinske karakteristike električnih vozila daleko su od onih automobila na motore s unutarnjim izgaranjem.

Prvi koraci prema stvaranju hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u velegradovima, rješavajući ekološke probleme.

Malo povijesti

Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju gibanja bila je poznata još u antici. 130. pr. Kr.: Filozof Heron iz Aleksandrije predstavio je publici parnu igračku - eolipil. Kugla ispunjena parom počela se okretati pod djelovanjem mlaznica koje su izlazile iz nje. Ovaj prototip modernih parnih turbina nije našao primjenu u to doba.

Dugi niz godina i stoljeća, razvoj filozofa smatrao se samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Talijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. Para je pokrenula disk opremljen lopaticama.

Od tog trenutka počinje brzi razvoj parnih strojeva.

toplotna mašina

Pretvorba goriva u energiju za kretanje dijelova strojeva i mehanizama koristi se u toplinskim strojevima.

Glavni dijelovi strojeva: grijač (sustav za dobivanje energije izvana), radna tekućina (vrši korisnu radnju), hladnjak.

Grijač je dizajniran tako da osigura da radna tekućina akumulira dovoljnu zalihu unutarnje energije za obavljanje korisnog rada. Hladnjak uklanja višak energije.

Glavna karakteristika učinkovitosti naziva se učinkovitost toplinskih strojeva. Ova vrijednost pokazuje koji se dio energije utrošene na grijanje troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća učinkovitost, to je profitabilniji rad stroja, ali ta vrijednost ne smije prijeći 100%.

Proračun učinkovitosti

Neka grijač dobije izvana energiju jednaku Q 1 . Radna tekućina izvršila je rad A, dok je energija predana hladnjaku bila Q 2 .

Na temelju definicije izračunavamo učinkovitost:

η= A / Q 1 . Uzimamo u obzir da je A \u003d Q 1 - Q 2.

Odavde, učinkovitost toplinskog motora, čija formula ima oblik η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, omogućuje nam da izvučemo sljedeće zaključke:

Učinkovitost ne može prijeći 1 (ili 100%);
da bi se povećala ova vrijednost, potrebno je ili povećanje energije dobivene od grijača ili smanjenje energije koja se daje hladnjaku;
povećanje energije grijača postiže se promjenom kvalitete goriva;
smanjujući energiju koja se daje hladnjaku, omogućuju postizanje značajki dizajna motora.

Idealan toplinski motor

Je li moguće stvoriti takav motor, čija bi učinkovitost bila maksimalna (idealno, jednaka 100%)? Odgovor na to pitanje pokušao je pronaći francuski teorijski fizičar i talentirani inženjer Sadi Carnot. Godine 1824. objavljeni su njegovi teorijski proračuni o procesima koji se odvijaju u plinovima.

Glavna ideja idealnog stroja je provođenje reverzibilnih procesa s idealnim plinom. Počinjemo s izotermnim širenjem plina na temperaturi T 1 . Za to je potrebna količina topline Q 1. Nakon što se plin širi bez izmjene topline, nakon što postigne temperaturu T 2 plin se izotermno komprimira predajući energiju Q 2 hladnjaku. Povratak plina u prvobitno stanje je adijabatski.

Učinkovitost idealnog Carnotovog toplinskog stroja, kada se točno izračuna, jednaka je omjeru temperaturne razlike između uređaja za grijanje i hlađenje i temperature koju ima grijač. To izgleda ovako: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Moguća učinkovitost toplinskog stroja, čija je formula: η= 1 - T 2 / T 1 , ovisi samo o temperaturi grijača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.

Štoviše, ovaj nam omjer omogućuje da dokažemo da učinkovitost toplinskih motora može biti jednaka jedinici samo kada hladnjak dosegne temperaturu. Kao što znate, ova vrijednost je nedostižna.

Carnotovi teorijski izračuni omogućuju određivanje maksimalne učinkovitosti toplinskog motora bilo kojeg dizajna.

Teorem koji je dokazao Carnot je sljedeći. Proizvoljni toplinski stroj ni pod kojim uvjetima ne može imati koeficijent učinkovitosti veći od slične vrijednosti učinkovitosti idealnog toplinskog stroja.

Primjer rješavanja problema

Primjer 1 Koliki je učinak idealnog toplinskog stroja ako je temperatura grijača 800°C, a temperatura hladnjaka 500°C niža?

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

Prema definiciji: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nije nam dana temperatura hladnjaka, već ∆T = (T 1 - T 2), odavde:

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

Odgovor: učinkovitost = 46%.

Primjer 2 Odredite stupanj djelovanja idealnog toplinskog stroja ako se zbog stečenog jednog kilojoula toplinske energije izvrši korisni rad od 650 J. Kolika je temperatura grijača toplinskog stroja ako je temperatura rashladnog sredstva 400 K?

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

U ovom problemu govorimo o toplinskoj instalaciji čija se učinkovitost može izračunati po formuli:

Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za učinkovitost idealnog toplinskog stroja:

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

Nakon izvršenja matematičkih transformacija dobivamo:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

Izračunajmo:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

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

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

Realni uvjeti

Idealni toplinski stroj dizajniran je imajući na umu idealne procese. Rad se obavlja samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost definirana je kao površina omeđena Carnotovim ciklusnim grafom.

Zapravo, nemoguće je stvoriti uvjete za proces promjene stanja plina bez popratnih promjena temperature. Ne postoje materijali koji bi isključili izmjenu topline s okolnim predmetima. Adijabatski proces postaje nemoguće provesti. U slučaju prijenosa topline, temperatura plina mora se nužno promijeniti.

Učinkovitost toplinskih motora stvorenih u realnim uvjetima bitno se razlikuje od učinkovitosti idealnih motora. Imajte na umu da su procesi u stvarnim motorima toliko brzi da se promjena unutarnje toplinske energije radne tvari u procesu promjene njenog volumena ne može kompenzirati dotokom topline iz grijača i povratkom u hladnjak.

Ostali toplinski strojevi

Pravi motori rade u različitim ciklusima:

Ottov ciklus: proces se pri konstantnom volumenu mijenja adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
Dieselov ciklus: izobara, adijabat, izohor, adijabat;
proces koji se odvija pri konstantnom tlaku zamjenjuje se adijabatskim, čime se ciklus zatvara.

U realnim motorima nije moguće stvoriti ravnotežne procese (približiti ih idealnim) u uvjetima suvremene tehnologije. Učinkovitost toplinskih motora znatno je niža, čak i uzimajući u obzir iste temperaturne režime kao u idealnoj toplinskoj instalaciji.

Ali ne biste trebali smanjiti ulogu formule za izračun učinkovitosti, jer ona postaje polazište u procesu rada na povećanju učinkovitosti stvarnih motora.

Načini promjene učinkovitosti

Kada se uspoređuju idealni i stvarni toplinski motori, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se uzeti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tekućine jednaka temperaturi ispušnih plinova u motorima, kao što je slučaj i kod motora s unutarnjim izgaranjem (skraćeno motori s unutarnjim izgaranjem).

ICE je najčešći toplinski motor u našem svijetu. Učinkovitost toplinskog stroja u ovom slučaju ovisi o temperaturi koju stvara izgaranje goriva. Bitna razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i parnih strojeva je spajanje funkcija grijača i radnog fluida uređaja u smjesi zrak-gorivo. Goreći, smjesa stvara pritisak na pokretne dijelove motora.

Povećanje temperature radnih plinova postiže se značajnom promjenom svojstava goriva. Nažalost, to nije moguće činiti unedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima svoje talište. Otpornost na toplinu takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i mogućnost značajnog utjecaja na učinkovitost.

Vrijednosti učinkovitosti motora

Ako uzmemo u obzir temperaturu radne pare na ulazu od 800 K, a ispušnog plina 300 K, tada je učinkovitost ovog stroja 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Do takvog smanjenja dolazi zbog gubitaka topline tijekom zagrijavanja kućišta turbine.

Najveća vrijednost unutarnjeg izgaranja ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti stvar je bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva problem je na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.

Faktor učinkovitosti (COP) je mjera učinkovitosti sustava u smislu pretvorbe ili prijenosa energije, koja je određena omjerom korisno korištene energije i ukupne energije koju sustav prima.

učinkovitost- vrijednost je bezdimenzionalna, obično se izražava u postocima:

Koeficijent učinka (COP) toplinskog stroja određuje se formulom: , gdje je A = Q1Q2. Učinkovitost toplinskog stroja uvijek je manja od 1.

Carnotov ciklus- Riječ je o reverzibilnom kružnom plinskom procesu, koji se sastoji od dva uzastopna izotermna i dva adijabatska procesa koji se odvijaju s radnim fluidom.

Kružni ciklus, koji uključuje dvije izoterme i dvije adijabate, odgovara maksimalnoj učinkovitosti.

Francuski inženjer Sadi Carnot 1824. godine izveo je formulu za maksimalnu učinkovitost idealnog toplinskog stroja, gdje je radni fluid idealni plin, čiji se ciklus sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate, odnosno Carnotov ciklus. Carnotov ciklus je pravi radni ciklus toplinskog stroja koji obavlja rad zbog topline dovedene radnom fluidu u izotermnom procesu.

Formula za učinkovitost Carnotovog ciklusa, odnosno maksimalnu učinkovitost toplinskog stroja je: , gdje je T1 apsolutna temperatura grijača, T2 apsolutna temperatura hladnjaka.

Toplinski strojevi- To su građevine u kojima se toplinska energija pretvara u mehaničku.

Toplinski strojevi su raznoliki i po dizajnu i po namjeni. Tu spadaju parni strojevi, parne turbine, motori s unutarnjim izgaranjem, mlazni motori.

Međutim, unatoč raznolikosti, postoje zajedničke značajke u principu rada različitih toplinskih motora. Glavne komponente svakog toplinskog motora:

grijač;
radno tijelo;
hladnjak.

Grijač oslobađa toplinsku energiju, dok zagrijava radni fluid koji se nalazi u radnoj komori motora. Radni fluid može biti para ili plin.

Prihvativši količinu topline, plin se širi, jer. njegov je tlak veći od vanjskog tlaka i pomiče klip, stvarajući pozitivan rad. Pritom mu tlak pada, a volumen se povećava.

Ako komprimiramo plin, prolazeći kroz ista stanja, ali u suprotnom smjeru, tada ćemo izvršiti istu apsolutnu vrijednost, ali negativan rad. Kao rezultat toga, sav rad za ciklus bit će jednak nuli.

Da bi rad toplinskog stroja bio različit od nule, rad kompresije plina mora biti manji od rada širenja.

Da bi rad kompresije postao manji od rada ekspanzije, potrebno je da se proces kompresije odvija na nižoj temperaturi, za to se radni fluid mora ohladiti, stoga je u dizajnu hladnjaka uključen hladnjak. toplotna mašina. Radna tekućina daje količinu topline hladnjaku kada je u kontaktu s njim.

Poznato je da je perpetum mobile nemoguć. To je zbog činjenice da je za bilo koji mehanizam istinita tvrdnja: ukupni rad obavljen uz pomoć ovog mehanizma (uključujući zagrijavanje mehanizma i okoline, radi prevladavanja sile trenja) uvijek je korisniji rad.

Na primjer, više od polovice rada motora s unutarnjim izgaranjem gubi se na zagrijavanje dijelova motora; dio topline odnosi se ispušnim plinovima.

Često je potrebno procijeniti učinkovitost mehanizma, izvedivost njegove upotrebe. Stoga, da bi se izračunalo koji je dio obavljenog rada izgubljen, a koji koristan, uvodi se posebna fizikalna veličina koja pokazuje učinkovitost mehanizma.

Ova se vrijednost naziva učinkovitost mehanizma

Učinkovitost mehanizma jednaka je omjeru korisnog rada i ukupnog rada. Očito, učinkovitost je uvijek manja od jedinice. Ova se vrijednost često izražava kao postotak. Obično se označava grčkim slovom η (čitaj "ovo"). Učinkovitost se skraćeno naziva učinkovitost.

η \u003d (A_puno / A_korisno) * 100%,

gdje je η učinkovitost, A_puni puni rad, A_korisno koristan rad.

Među motorima elektromotor ima najveću učinkovitost (do 98%). Učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem 20% - 40%, parne turbine oko 30%.

Imajte na umu da za povećanje učinkovitosti mehanizmačesto pokušavaju smanjiti silu trenja. To se može učiniti pomoću različitih maziva ili kugličnih ležajeva kod kojih je trenje klizanja zamijenjeno trenjem kotrljanja.

Primjeri proračuna učinkovitosti

Razmotrite primjer. Biciklist mase 55 kg uspinje se uzbrdo mase 5 kg, čija je visina 10 m, pritom obavljajući rad od 8 kJ. Pronađite učinkovitost bicikla. Ne uzima se u obzir trenje kotrljanja kotača na cesti.

Riješenje. Nađi ukupnu masu bicikla i biciklista:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Nađimo njihovu ukupnu težinu:

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

Pronađite rad obavljen pri dizanju bicikla i biciklista:

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

Nađimo učinkovitost bicikla:

A_puno / A_korisno * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Odgovor: Učinkovitost bicikla je 75%.

Razmotrimo još jedan primjer. O kraj kraka poluge obješeno je tijelo mase m. Sila F prema dolje djeluje na drugi krak, a njegov kraj se spušta za h. Odredite koliko se tijelo podiglo ako je učinkovitost poluge η%.

Riješenje. Nađi rad sile F:

η % ovog rada učinjeno je za podizanje tijela mase m. Dakle, za podizanje tijela utrošeno je Fhη / 100. Budući da je težina tijela jednaka mg, tijelo se podiglo na visinu od Fhη / 100 / mg.

Učinkovitost je karakteristika učinkovitosti uređaja ili stroja. Učinkovitost se definira kao omjer korisne energije na izlazu iz sustava i ukupne količine energije koja se dovodi u sustav. Učinkovitost je bezdimenzijska i često se izražava u postocima.

Formula 1 - učinkovitost

Gdje- A koristan rad

—Q ukupni rad koji je utrošen

Svaki sustav koji obavlja bilo kakav rad mora primati energiju izvana, uz pomoć koje će se rad obaviti. Uzmimo, na primjer, naponski transformator. Mrežni napon od 220 volti primjenjuje se na ulaz, 12 volti se uklanja iz izlaza za napajanje, na primjer, žarulje sa žarnom niti. Dakle, transformator pretvara energiju na ulazu u potrebnu vrijednost na kojoj će lampa raditi.

Ali neće sva energija uzeta iz mreže ići u svjetiljku, budući da u transformatoru postoje gubici. Na primjer, gubitak magnetske energije u jezgri transformatora. Ili gubici u aktivnom otporu namota. Gdje će se električna energija pretvarati u toplinu, a da ne dođe do potrošača. Ova toplinska energija u ovom sustavu je beskorisna.

Budući da se gubici snage ne mogu izbjeći ni u jednom sustavu, učinkovitost je uvijek ispod jedinice.

Učinkovitost se može smatrati kao za cijeli sustav, koji se sastoji od mnogo zasebnih dijelova. Dakle, za određivanje učinkovitosti za svaki dio zasebno, tada će ukupna učinkovitost biti jednaka proizvodu učinkovitosti svih njegovih elemenata.

Zaključno, možemo reći da učinkovitost određuje razinu savršenstva bilo kojeg uređaja u smislu prijenosa ili pretvorbe energije. Također pokazuje koliko se energije dovedene u sustav troši na koristan rad.