Mit jelent a „teljesítmény együttható”? A belső égésű motor hatásfoka – összehasonlítva ismerjük a hatékonyságot

Teljesítménytényező (COP) - egy olyan kifejezés, amely talán minden rendszerre és eszközre alkalmazható. Még az embernek is van hatékonysága, bár valószínűleg még nincs objektív képlet annak megtalálására. Ebben a cikkben részletesen elmagyarázzuk, mi a hatékonyság, és hogyan számítható ki a különböző rendszerekre.

hatékonyság meghatározása

A hatékonyság egy olyan mutató, amely egy adott rendszer hatékonyságát jellemzi az energia visszanyerésével vagy átalakításával kapcsolatban. A hatékonyság egy mérhetetlen érték, és vagy numerikus értékként a 0 és 1 közötti tartományban, vagy százalékban jelenik meg.

Általános képlet

A hatékonyságot a Ƞ szimbólum jelzi.

A hatékonyság megállapítására szolgáló általános matematikai képlet a következőképpen van felírva:

Ƞ=A/Q, ahol A a rendszer által végzett hasznos energia/munka, Q pedig a rendszer által a hasznos kimenet megszerzésének folyamatának megszervezéséhez felhasznált energia.

A hatékonysági tényező sajnos mindig kisebb, mint egy, vagy egyenlő vele, hiszen az energiamegmaradás törvénye szerint nem kaphatunk több munkát, mint amennyi energiát elhasználunk. Ezenkívül a hatékonyság rendkívül ritkán egyenlő eggyel, mivel a hasznos munkát mindig veszteségek kísérik, például a mechanizmus fűtéséhez.

A hőmotor hatékonysága

A hőmotor olyan berendezés, amely a hőenergiát mechanikai energiává alakítja. Hőmotorban a munkát a fűtőberendezéstől kapott hőmennyiség és a hűtőnek adott hőmennyiség különbsége határozza meg, ezért a hatásfokot a következő képlet határozza meg:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, ahol Qн a fűtőberendezéstől kapott hőmennyiség, Qх pedig a hűtőnek adott hőmennyiség.

Úgy gondolják, hogy a legnagyobb hatásfokot a Carnot-cikluson működő motorok biztosítják. Ebben az esetben a hatékonyságot a következő képlet határozza meg:

• Ƞ=T1-T2/T1, ahol T1 a meleg forrás hőmérséklete, T2 a hideg forrás hőmérséklete.

Az elektromos motor hatékonysága

A villanymotor olyan eszköz, amely elektromos energiát mechanikai energiává alakít át, így a hatásfok ebben az esetben az eszköz hatásfokának aránya a villamos energia mechanikai energiává alakításához viszonyítva. Az elektromos motor hatásfokának meghatározására szolgáló képlet így néz ki:

• Ƞ=P2/P1, ahol P1 a betáplált elektromos teljesítmény, P2 a motor által termelt hasznos mechanikai teljesítmény.

Az elektromos teljesítmény a rendszer áramának és feszültségének szorzataként (P=UI), a mechanikai teljesítmény pedig a munka és az időegység arányaként (P=A/t) található.

transzformátor hatékonysága

A transzformátor olyan eszköz, amely az egyik feszültségű váltakozó áramot egy másik feszültségű váltakozó árammá alakítja, miközben fenntartja a frekvenciát. Ezenkívül a transzformátorok váltóáramot is képesek egyenárammá alakítani.

A transzformátor hatékonyságát a következő képlet határozza meg:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), ahol P0 - üresjárati veszteségek, PL - terhelési veszteségek, P2 - a terhelésre leadott aktív teljesítmény, n - a terhelés relatív mértéke.

Hatékonyság vagy nem hatékonyság?

Érdemes megjegyezni, hogy a hatékonyság mellett számos mutató jellemzi az energetikai folyamatok hatékonyságát, és néha találhatunk leírást a típusról - 130%-os nagyságrendű hatásfok, de ebben az esetben szükséges meg kell értenie, hogy a kifejezést nem egészen helyesen használják, és valószínűleg a szerző vagy a gyártó egy kissé eltérő jellemzőt ért ezen a rövidítésen.

A hőszivattyúkat például az különbözteti meg, hogy több hőt tudnak leadni, mint amennyit fogyasztanak. Így egy hűtőgép több hőt képes eltávolítani a hűtendő tárgyból, mint amennyit energiaegyenértékben az eltávolítás megszervezésére fordítottak. A hűtőgép hatékonysági mutatóját teljesítménytényezőnek nevezzük, amelyet Ɛ betűvel jelölünk, és a következő képlettel határozzuk meg: Ɛ=Qx/A, ahol Qx a hideg végről eltávolított hő, A a hűtőgépre fordított munka. eltávolítási folyamat. Néha azonban a teljesítménytényezőt a hűtőgép hatékonyságának is nevezik.

Érdekes az is, hogy a fosszilis tüzelőanyaggal üzemelő kazánok hatásfokát általában az alacsonyabb fűtőérték alapján számítják ki, míg ebből több is kiderülhet. Ennek ellenére hagyományosan még mindig hatékonyságnak nevezik. Meg lehet határozni a kazán hatásfokát a bruttó fűtőértékkel, és akkor mindig egynél kisebb lesz, de ebben az esetben kényelmetlen lesz összehasonlítani a kazánok teljesítményét más létesítmények adataival.

A modern valóság a hőgépek széles körben elterjedt működését jelenti. Számos kísérlet villanymotorra cserélésére eddig kudarcot vallott. Az autonóm rendszerekben a villamos energia felhalmozódásával kapcsolatos problémákat nagy nehézségek árán oldják meg.

Továbbra is aktuálisak a villamosenergia-akkumulátorok gyártásának technológiai problémái, figyelembe véve azok hosszú távú használatát. Az elektromos járművek sebességi jellemzői messze eltérnek a belső égésű motoros autókétól.

A hibrid motorok létrehozásának első lépései jelentősen csökkenthetik a káros kibocsátást a nagyvárosokban, megoldva a környezeti problémákat.

Egy kis történelem

A gőzenergia mozgási energiává alakításának lehetősége már az ókorban ismert volt. Kr.e. 130: Az alexandriai Heron filozófus gőzjátékot, az aeolipilt mutatott be a közönségnek. Egy gőzzel teli gömb forogni kezdett a belőle kiáramló sugarak hatására. A modern gőzturbináknak ez a prototípusa akkoriban nem talált alkalmazásra.

Sok éven és évszázadon át a filozófus fejlődését csak szórakoztató játéknak tekintették. 1629-ben az olasz D. Branchi létrehozott egy aktív turbinát. A gőz mozgásba lendített egy pengékkel felszerelt korongot.

Ettől a pillanattól kezdve megkezdődött a gőzgépek gyors fejlődése.

hőerőgép

Az üzemanyag energiává alakítását a gépek és mechanizmusok alkatrészeinek mozgatásához a hőgépekben használják.

A gépek fő részei: fűtőtest (külről energiát nyerő rendszer), munkafolyadék (hasznos műveletet végez), hűtőszekrény.

A fűtőberendezést úgy tervezték, hogy a munkafolyadék elegendő belső energiát halmozott fel a hasznos munka elvégzéséhez. A hűtőszekrény eltávolítja a felesleges energiát.

A hatékonyság fő jellemzőjét a hőmotorok hatásfokának nevezik. Ez az érték megmutatja, hogy a fűtésre fordított energia mekkora részét fordítják hasznos munkára. Minél nagyobb a hatásfok, annál jövedelmezőbb a gép üzemeltetése, de ez az érték nem haladhatja meg a 100%-ot.

Hatékonysági számítás

Hagyja, hogy a fűtőelem kívülről szerezze be a Q 1 -gyel egyenlő energiát. A munkaközeg A munkát végezte, míg a hűtőnek adott energia Q 2 volt.

A definíció alapján kiszámítjuk a hatékonyságot:

η= A/Q 1 . Figyelembe vesszük, hogy A \u003d Q 1 - Q 2.

Innentől a hőmotor hatásfoka, amelynek képlete η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, lehetővé teszi a következő következtetések levonását:

• A hatásfok nem haladhatja meg az 1-et (vagy 100%-ot);
• ennek az értéknek a maximalizálása érdekében vagy növelni kell a fűtőberendezéstől kapott energiát, vagy csökkenteni kell a hűtőszekrénynek adott energiát;
• a fűtőelem energiájának növelése az üzemanyag minőségének megváltoztatásával érhető el;
• a hűtőnek adott energia csökkentése lehetővé teszi a motorok tervezési jellemzőinek elérését.

Ideális hőmotor

Lehetséges olyan motort létrehozni, amelynek hatásfoka maximális lenne (ideális esetben 100%)? Sadi Carnot francia elméleti fizikus és tehetséges mérnök próbálta megtalálni a választ erre a kérdésre. 1824-ben hozták nyilvánosságra elméleti számításait a gázokban lezajló folyamatokról.

Az ideális gép mögött az a fő gondolat, hogy egy ideális gázzal reverzibilis folyamatokat hajtsunk végre. Kezdjük a gáz izotermikus tágulásával T 1 hőmérsékleten. Az ehhez szükséges hőmennyiség Q 1. Miután a gáz hőcsere nélkül kitágul, a T 2 hőmérséklet elérése után a gáz izotermikusan összenyomódik, Q 2 energiát adva át a hűtőnek. A gáz visszatérése eredeti állapotába adiabatikus.

Az ideális Carnot hőmotor hatásfoka, ha pontosan kiszámítjuk, egyenlő a fűtő- és hűtőberendezések közötti hőmérséklet-különbség és a fűtőelem hőmérsékletének arányával. Így néz ki: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Egy hőmotor lehetséges hatásfoka, amelynek képlete: η= 1 - T 2 / T 1 , csak a fűtő és a hűtő hőmérsékletétől függ, és nem lehet több 100%-nál.

Sőt, ez az arány lehetővé teszi annak bizonyítását, hogy a hőmotorok hatásfoka csak akkor lehet egységnyi, ha a hűtőszekrény eléri a hőmérsékletet. Mint tudják, ez az érték elérhetetlen.

Carnot elméleti számításai lehetővé teszik bármely kivitelű hőgép maximális hatásfokának meghatározását.

A Carnot által bizonyított tétel a következő. Egy tetszőleges hőmotor semmilyen körülmények között nem képes nagyobb hatásfokkal rendelkezni, mint egy ideális hőgép hatásfokának azonos értéke.

Példa problémamegoldásra

1. példa Mekkora az ideális hőmotor hatásfoka, ha a fűtés hőmérséklete 800°C, a hűtő hőmérséklete pedig 500°C-kal alacsonyabb?

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

Definíció szerint: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nem a hűtőszekrény hőmérsékletét adjuk meg, hanem ∆T = (T 1 - T 2), innen:

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

Válasz: hatékonyság = 46%.

2. példa Határozza meg egy ideális hőgép hatásfokát, ha a megszerzett egy kilojoule fűtőenergia miatt 650 J hasznos munkát végeznek Mekkora a hőgép fűtésének hőmérséklete, ha a hűtőfolyadék hőmérséklete 400 K?

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

Ebben a feladatban egy hőberendezésről beszélünk, amelynek hatásfoka a következő képlettel számítható ki:

A fűtőelem hőmérsékletének meghatározásához az ideális hőmotor hatásfokának képletét használjuk:

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

A matematikai transzformációk végrehajtása után a következőket kapjuk:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

Számoljunk:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

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

Valós körülmények

Az ideális hőmotort az ideális folyamatok szem előtt tartásával tervezték. A munka csak izoterm folyamatokban történik, értéke a Carnot-ciklusgráf által határolt terület.

Valójában lehetetlen feltételeket teremteni a gáz állapotának megváltoztatásához anélkül, hogy a hőmérséklet változása kísérné. Nincsenek olyan anyagok, amelyek kizárnák a környező tárgyakkal való hőcserét. Az adiabatikus folyamat már nem lehetséges. Hőátadás esetén a gáz hőmérsékletének szükségszerűen változnia kell.

A valós körülmények között létrehozott hőmotorok hatásfoka jelentősen eltér az ideális motorok hatásfokától. Megjegyzendő, hogy a valódi motorokban a folyamatok olyan gyorsak, hogy a munkaanyag belső hőenergiájának változását a térfogatának változása során nem lehet kompenzálni a fűtőberendezésből beáramló és a hűtőbe visszavezetett hővel.

Egyéb hőmotorok

A valódi motorok különböző ciklusokban működnek:

• Otto-ciklus: az állandó térfogatú folyamat adiabatikusan változik, zárt ciklust hozva létre;
• Dízelciklus: izobar, adiabát, izochor, adiabát;
• az állandó nyomáson végbemenő folyamatot adiabatikus váltja fel, lezárva a ciklust.

Valós hajtóművekben nem lehet egyensúlyi folyamatokat létrehozni (az ideálishoz közelebb hozni) a modern technológia körülményei között. A hőmotorok hatásfoka sokkal alacsonyabb, még akkor is, ha ugyanazokat a hőmérsékleti rendszereket vesszük figyelembe, mint egy ideális hőrendszerben.

De nem szabad csökkentenie a hatásfokszámítási képlet szerepét, mivel ez lesz a kiindulási pont a valódi motorok hatékonyságának növelésére irányuló munka folyamatában.

A hatékonyság megváltoztatásának módjai

Az ideális és a valódi hőgépek összehasonlításakor érdemes megjegyezni, hogy az utóbbiak hűtőszekrényének hőmérséklete nem lehet akármilyen. Általában a légkört hűtőszekrénynek tekintik. A légkör hőmérséklete csak hozzávetőleges számításokkal mérhető. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a hűtőfolyadék hőmérséklete megegyezik a motorokban lévő kipufogógázok hőmérsékletével, ahogy az a belső égésű motoroknál (rövidítve belső égésű motoroknál) történik.

Az ICE a leggyakoribb hőmotor a világon. A hőmotor hatásfoka ebben az esetben az égő tüzelőanyag által létrehozott hőmérséklettől függ. Lényeges különbség a belső égésű motor és a gőzgép között a fűtőberendezés és a berendezés munkaközegének funkcióinak egyesítése a levegő-üzemanyag keverékben. Égéskor a keverék nyomást hoz létre a motor mozgó részein.

A munkagázok hőmérsékletének növekedése az üzemanyag tulajdonságainak jelentős megváltoztatásával érhető el. Sajnos ezt nem lehet a végtelenségig csinálni. Minden anyag, amelyből a motor égésterét készítik, saját olvadásponttal rendelkezik. Az ilyen anyagok hőállósága a motor fő jellemzője, valamint az a képesség, hogy jelentősen befolyásolják a hatékonyságot.

Motor hatásfok értékek

Ha figyelembe vesszük a munkagőz hőmérsékletét, amelynek bemeneténél 800 K, a kipufogógázé pedig 300 K, akkor ennek a gépnek a hatásfoka 62%. A valóságban ez az érték nem haladja meg a 40%-ot. Ez a csökkenés a turbinaház fűtése során fellépő hőveszteségek miatt következik be.

A belső égés legmagasabb értéke nem haladja meg a 44%-ot. Ennek az értéknek a növelése a közeljövő kérdése. Az anyagok, üzemanyagok tulajdonságainak megváltoztatása olyan probléma, amelyen az emberiség legjobb elméje dolgozik.

Hatékonysági tényező (COP) egy rendszer energiaátalakítási vagy -átviteli hatékonyságának mértéke, amelyet a hasznosan felhasznált energia és a rendszer által kapott teljes energia aránya határoz meg.

hatékonyság- az érték dimenzió nélküli, általában százalékban fejezik ki:

A hőmotor teljesítménytényezőjét (COP) a következő képlet határozza meg: , ahol A = Q1Q2. A hőmotor hatásfoka mindig kisebb, mint 1.

Carnot ciklus- Ez egy reverzibilis, körkörös gázfolyamat, amely két egymást követő izoterm és két adiabatikus folyamatból áll, amelyeket munkaközeggel hajtanak végre.

A körkörös ciklus, amely két izotermát és két adiabátot tartalmaz, megfelel a maximális hatásfoknak.

Sadi Carnot francia mérnök 1824-ben levezette az ideális hőgép maximális hatásfokának képletét, ahol a munkaközeg egy ideális gáz, amelynek ciklusa két izotermából és két adiabátból, vagyis a Carnot-ciklusból állt. A Carnot-ciklus egy hőmotor valós munkaciklusa, amely a munkaközeghez izoterm folyamat során juttatott hő miatt végez munkát.

A Carnot-ciklus hatásfokának, azaz a hőmotor maximális hatásfokának képlete a következő: , ahol T1 a fűtőtest abszolút hőmérséklete, T2 a hűtőszekrény abszolút hőmérséklete.

Hőmotorok- Ezek olyan szerkezetek, amelyekben a hőenergia mechanikai energiává alakul.

A hőmotorok mind kialakításukban, mind rendeltetésükben változatosak. Ide tartoznak a gőzgépek, gőzturbinák, belső égésű motorok, sugárhajtóművek.

A sokféleség ellenére azonban vannak közös vonások a különféle hőmotorok működési elvében. Az egyes hőmotorok fő alkatrészei:

• melegítő;
• munkatest;
• hűtőszekrény.

A fűtőberendezés hőenergiát bocsát ki, miközben felmelegíti a munkafolyadékot, amely a motor munkakamrájában található. A munkafolyadék lehet gőz vagy gáz.

A hőmennyiséget elfogadva a gáz kitágul, mert. nyomása nagyobb, mint a külső nyomás, és mozgatja a dugattyút, ami pozitív munkát eredményez. Ugyanakkor nyomása csökken, térfogata nő.

Ha az azonos állapotokon áthaladó gázt összenyomjuk, de ellenkező irányban, akkor ugyanazt az abszolút értékű, de negatív munkát végzünk. Ennek eredményeként a ciklus összes munkája nulla lesz.

Ahhoz, hogy a hőmotor munkája eltérjen a nullától, a gáz összenyomásának kisebbnek kell lennie, mint a tágulási munkának.

Annak érdekében, hogy a kompressziós munka kisebb legyen, mint a tágulási munka, szükséges, hogy a kompressziós folyamat alacsonyabb hőmérsékleten menjen végbe, ehhez a munkafolyadékot le kell hűteni, ezért a hűtőszekrény kialakításában hűtőszekrény szerepel. hőerőgép. A munkafolyadék a vele érintkezve leadja a hőmennyiséget a hűtőnek.

Köztudott, hogy az örökmozgó lehetetlen. Ez abból adódik, hogy minden mechanizmusra igaz az állítás: az ezzel a mechanizmussal végzett teljes munka (beleértve a mechanizmus és a környezet felfűtését, a súrlódási erő leküzdését) mindig hasznosabb munka.

Például egy belső égésű motor munkájának több mint fele a motor alkatrészeinek fűtésére vész el; a hő egy részét a kipufogógázok elvezetik.

Gyakran szükséges értékelni a mechanizmus hatékonyságát, alkalmazásának megvalósíthatóságát. Ezért annak kiszámításához, hogy az elvégzett munka melyik része veszendő el, és melyik része hasznos, egy speciális fizikai mennyiséget vezetnek be, amely megmutatja a mechanizmus hatékonyságát.

Ezt az értéket a mechanizmus hatékonyságának nevezzük

Egy mechanizmus hatékonysága megegyezik a hasznos munka és az összes munka arányával. Nyilvánvaló, hogy a hatékonyság mindig kisebb, mint az egység. Ezt az értéket gyakran százalékban fejezik ki. Általában a görög η betűvel jelölik (lásd "ez"). A hatékonyságot hatékonyságnak rövidítjük.

η \u003d (A_teljes / A_hasznos) * 100%,

ahol η hatékonyság, A_teljes teljes munka, A_hasznos hasznos munka.

A motorok közül az elektromos motornak van a legnagyobb hatásfoka (akár 98%). A belső égésű motorok hatásfoka 20% - 40%, a gőzturbina körülbelül 30%.

Jegyezze meg, hogy azért a mechanizmus hatékonyságának növelése gyakran próbálják csökkenteni a súrlódási erőt. Ezt különféle kenőanyagok vagy golyóscsapágyak segítségével lehet megtenni, amelyekben a csúszósúrlódást gördülési súrlódás váltja fel.

Hatékonysági számítási példák

Vegyünk egy példát. Egy 55 kg tömegű kerékpáros felmászik egy 5 kg tömegű, 10 m magas dombra 8 kJ munkavégzés közben. Keresse meg a kerékpár hatékonyságát. Nem veszik figyelembe a kerekek gördülési súrlódását az úton.

Megoldás. Határozza meg a kerékpár és a kerékpáros össztömegét:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Nézzük meg a teljes súlyukat:

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

Nézzük meg a kerékpár és a kerékpáros emelésén végzett munkát:

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

Nézzük meg a kerékpár hatékonyságát:

A_teljes / A_hasznos * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Válasz: A kerékpár hatékonysága 75%.

Nézzünk még egy példát. A kar végére egy m tömegű test van felfüggesztve. A másik karra F lefelé irányuló erő hat, és a végét h-val leengedjük. Határozza meg, mennyit emelkedett a test, ha a kar hatásfoka η%.

Megoldás. Keresse meg az F erő által végzett munkát:

Ennek a munkának η %-át egy m tömegű test felemelésére végezzük. Ezért Fhη / 100-at költöttek a test emelésére.Mivel a test súlya mg, a test Fhη / 100 / mg magasságra emelkedett.

A hatékonyság egy eszköz vagy gép hatékonyságának jellemzője. A hatásfok a rendszer kimenetén lévő hasznos energia és a rendszerbe juttatott teljes energiamennyiség aránya. A hatékonyság dimenzió nélküli, és gyakran százalékban fejezik ki.

Forma 1 – hatékonyság

Ahol- A hasznos munka

—K az összes elköltött munka

Minden olyan rendszernek, amely bármilyen munkát végez, kívülről kell energiát kapnia, aminek segítségével a munka meg fog történni. Vegyünk például egy feszültségváltót. A bemenetre 220 voltos hálózati feszültség kerül, a kimenetről 12 voltot távolítanak el, például egy izzólámpát. Tehát a transzformátor átalakítja a bemeneti energiát a szükséges értékre, amelyen a lámpa működni fog.

De nem az összes hálózatból vett energia megy a lámpába, mivel a transzformátorban veszteségek vannak. Például a mágneses energia elvesztése egy transzformátor magjában. Vagy veszteség a tekercsek aktív ellenállásában. Ahol az elektromos energia hővé alakul anélkül, hogy elérné a fogyasztót. Ez a hőenergia ebben a rendszerben használhatatlan.

Mivel a teljesítményveszteség egyetlen rendszerben sem kerülhető el, a hatásfok mindig egység alatt van.

A hatékonyságot úgy tekinthetjük, mint a sok különálló részből álló rendszer egészét. Tehát az egyes részek hatékonyságának külön-külön történő meghatározásához a teljes hatásfok egyenlő lesz az összes elem hatékonyságának szorzatával.

Összegzésképpen elmondhatjuk, hogy a hatásfok meghatározza bármely eszköz tökéletességi szintjét az energia átvitele vagy átalakítása szempontjából. Azt is jelzi, hogy mennyi energiát fordítanak a rendszernek hasznos munkára.