Как найти кпд двигателя: КПД теплового двигателя

Содержание

Формула кпд (коэффициента полезного действия) в физике

Базовые компоненты ESTEC

Бензиновый двигатель Газель Некст 2.7 л. устройство ГРМ, технические характеристики Evotech 2.7

Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.

В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.

Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.

Восстановление производительности

Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.

При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.

Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.

Цикл Аткинсона

В двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.

Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.

КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

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. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Методика и порядок измерений

Идеальные условия можно рассматривать только в теории. Для корректной оценки замкнутой системы необходимо учитывать энергетические потери на выполнение необходимой работы. Ниже показано, как определить КПД механических силовых агрегатов с применением разных исходных данных.

Движению поршня в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания препятствует сила трения. Поступательно-возвратные движения в ходе стандартного цикла преобразуются во вращение вала с дополнительными потерями. Высокая температура не выполняет в данном случае полезные функции. Чтобы не допустить разрушения агрегата, необходимо поддерживать определенный тепловой режим. Приходится обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости с помощью помпы.

Понятно, что в подобном случае сделать общий КПД расчет с учетом каждого компонента конструкции непросто. Однако можно узнать в ходе эксперимента с высокой точностью, какое количество топлива (масса – m) придется затратить на 100 км пробега машины за соответствующее время (t). Далее нужно взять из сопроводительной документации (справочников) следующие данные:

мощность мотора – Рм;
удельную теплоту бензина – У.

В этом варианте для расчета КПД двигателя формула преобразуется следующим образом:

Для отображения результата в % итоговое значение умножают на 100.

Если мощность силового агрегата не известна, определять эффективность можно по массе авто (Mа). Измерять ее несложно с помощью промышленных весов (на станции техосмотра, элеваторе). В ходе эксперимента разгоняются с места до контрольной скорости (v). Массу топлива вычисляют по объему (переведенному из литров в м кв.), который умножают на плотность (справочная величина в кг на куб. м).

В этом случае КПД расчет находят по формуле:

η = (Mа * v2)/(2 * У * m).

Следует перевести предварительно скорость из км/час в м/с.

Проще измеряется эффективность электродвигателя с паспортной мощностью (P). Его подключают к источнику питания с известным напряжением (U). После выхода на стабильную частоту вращения фиксируют значение тока (I) в цепи. Далее применяют классическую формулу:

Если сопроводительная документация отсутствует, технические параметры берут с официального сайта производителя. Однако и в этом случае следует понимать ограниченную точность подобных данных. В процессе эксплуатации характеристики могут ухудшиться за счет естественного износа. Погрешность увеличивается после длительной интенсивной эксплуатации, при подключении редуктора или другого переходного устройства.

Значительно улучшить точность можно с применением простой методики:

устанавливают на вал шкив с закрепленным тросом;
поднимают на контрольную высоту (h) груз c массой m;
секундомером фиксируют время (t) на выполнение этой работы;
мультиметром измеряют напряжение (U) и силу тока (I) на клеммах источника питания и в разрыве цепи, соответственно.

Для нахождения КПД в физике формула выглядит следующим образом:

η = (m * h * g)/(I * U * t),

где g – это гравитационная постоянная (9,80665).

Эффективность любого силового агрегата определяют по соотношению полезной работы к расходованной энергии. Чтобы корректно определять класс техники, пользуются переводом в проценты. Следует подчеркнуть, что значение больше 100% обозначает ошибку в расчетах. Создатель подобного агрегата станет «властелином мира», так как изобретет вечный двигатель.

Мощность

В механике мощность часто обозначают символами N или P и измеряют в Ваттах в честь шотландского изобретателя Джеймса Уатта.

Примечание: Символ $\vec{N}$ используется для обозначения силы реакции опоры — она измеряется в Ньютонах и является векторной величиной. Чтобы не возникло путаницы, мощность вместо N будем обозначать символом P. Символ P – первая буква в английском слове power – мощность.

Мощность – это работа, совершенная за одну секунду (энергия, затраченная за 1 сек).

Расчет работы осуществляем, используя любую из формул:

Разделив эту работу на время, в течение которого она совершалась, получим мощность.

Если работа совершалась равными частями за одинаковые интервалы времени – мощность будет постоянной величиной.

Мощность переменная, когда в некоторые интервалы времени совершалось больше работы.

Еще одна формула для расчета мощности

Есть еще один способ расчета мощности, когда сила перемещает тело и при этом скорость тела не меняется:

Формулу можно записать в скалярном виде:

$ F \left( H \right) $ – сила, перемещающая тело;

$ \displaystyle v \left( \frac{\text{м}}{c} \right) $ – скорость тела;

$ \alpha $ – угол между вектором силы и вектором скорости тела;

Когда векторы $\vec{F}$ и $\vec{v}$ параллельны, запись формулы упрощается:

Примечание: Такую формулу для расчета мощности можно получить из выражения для работы силы, разделив обе части этого выражения на время, в течение которого работа совершалась (а если точнее, найдя производную обеих частей уравнения).

Немного истории

Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку – эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.

Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.

С этого момента началось бурное развитие паровых машин.

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Почему производительность труда так важна в деятельности каждой организации

Производительность труда – это эффективность работы персонала в той или иной отрасли производства и рынка услуг отображается количественным числом изготовленной продукции или проданных услуг конкретным сотрудником за определенный период времени. В основном рассчитывают этот показатель за месяц работы и сравнивают с результатами работы других сотрудников, что работают на аналогичных должностях и имеют те же трудовые обязанности в количественном числе.

Обратным показателем величины производительности труда персонала является трудоемкость. Трудоемкость – это период времени (его количество) на изготовление одной единицы продукции или услуги (в зависимости от сферы деятельности сотрудника в организации).

Если увеличивается эффективность работы персонала организации, то соответственно снижается количество затрат рабочего времени, себестоимость изготавливаемой продукции значительно снижается, повышается общая экономическая эффективность производства.

Эффективность работы персонала прямо влияет на производственный цикл и его обороты. Чем быстрее происходит оборот средств (оборотных), тем скорее эти оборотные средства “освобождаются” из процесса оборота.

На темпы увеличения оборота оборотных средств влияют следующие показатели:

увеличения количества и объемов продаж;
работа над снижением затрат человеческих ресурсов на изготовление продукции или услуг;
постоянное усовершенствование качества и конкурентных способностей товаров и услуг;
общее сокращение и ускорение темпов производственного цикла;
усовершенствование систем снабжения и сбыта и т.д.

Во всех компаниях постоянно стараются увеличивать количество изготавливаемой продукции или предлагаемых услуг за конкретный период времени, а это в свою очередь сокращает статью по затратах на изготовление одной ее единицы.

В конце каждого месяца отделы кадров (или иные отдели по рекрутингу) проводят статистику по производительности труда персонала в той или иной области. Это могут быть различные производственные отделы в одной и той же фирме. Практикуют методы “слабого звена”: с сотрудниками, с наименьшими показателями по производительности труда персона, проводятся дополнительные обучения, применяются системы штрафов и т.д.

Компаниям не выгодно оплачивать труд персонала, с низкой эффективностью работы, так как это прямо влияет на получение общей прибыли. В то же время сотрудников, с хорошими показателями по производительности труда, постоянно поощряют в виде премий, бонусов, дополнительных отпусков и других видов бонусных программ.

Источник

Решебник к сборнику задач по физике для 7- 9 классов, Перышкин А.В.

916. Газ, расширяясь, охлаждается. Почему? Потому что газ совершает работу, тем самым теряя внутреннюю энергию.

917. Когда внутренняя энергия газа в цилиндре двигателя внутреннего сгорания больше: после проскакивания искры или к концу рабочего хода? Внутренняя энергия больше в моменты после проскакивания искры. В момент детонации и сгорания топлива в ДВС высвобождается та энергия, за счет которой работает ДВС. К концу рабочего хода вся энергия сгорания топлива переходит в механическую энергию вращения коленвала.

918. Какое количество теплоты выделилось при торможении до полной остановки грузовика массой 6,27 т, вначале ехавшего со скоростью 57,6 км/ч?

919. Какая работа совершена внешними силами при обработке железной заготовки массой 300 г, если она нагрелась на 200 °С?

920. На токарном станке обтачивается деталь со скоростью 1,5 м/с. Сила сопротивления равна 8370 Н. Какое количество теплоты выделится в данном процессе за пять минут?

921. Считая, что вся энергия идет на полезную работу, найдите, какое количество энергии в час необходимо тепловому двигателю мощностью 735 Вт?

922. Приняв, что вся тепловая энергия угля обращается в полезную работу, рассчитайте, какого количества каменного угля в час достаточно для машины мощностью 733 Вт?

923. Нагреватель за некоторое время отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 150 кДж, а холодильник за это же время получает от теплового двигателя количество теплоты, равное 100 кДж. Определите полезную работу двигателя за это время.

924. Нагреватель за некоторое время отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 120 кДж. Тепловой двигатель совершает при этом полезную работу 30 кДж.

925. Тепловой двигатель получает от нагревателя количество теплоты, равное 600 кДж. Какую полезную работу совершит тепловой двигатель, если его КПД равен 30% ?

926. Нагреватель отдает тепловому двигателю за 30 мин количество теплоты, равное 460 МДж, а тепловой двигатель отдает количество теплоты, равное 280 МДж. Определите полезную мощность двигателя.

927. Паровой молот мощностью 367 кВт получает от нагревателя в час количество теплоты, равное 6720 МДж. Какое количество теплоты в час получает холодильник?

928. Нагреватель отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 20 кДж. За то же время тепловой двигатель отдает холодильнику количество теплоты, равное 15 кДж. Найдите работу, совершенную тепловым двигателем, и его КПД.

929. Какое количество теплоты получил тепловой двигатель за 1 ч, если его полезная мощность равна 2 кВт, а КПД равен 12% ?

930. Полезная мощность механизма 800 Вт, КПД равен 12%. Какое количество теплоты получает механизм в час?

931. Мопед, едущий со скоростью 20 км/ч, за 100 км пути расходует 1 кг бензина. КПД его двигателя равен 22%. Какова полезная мощность двигателя?

932. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания мощностью 36,6 кВт, который сжигает в течение одного часа 10 кг нефти.

933. Каков КПД мотора мощностью 3660 Вт, который за час расходует 1,5 кг бензина?

934. Мощность паровой машины 366,5 кВт, КПД равен 20%. Сколько сгорает каменного угля в топке паровой машины за час?

935. Сколько бензина расходует в час мотор мощностью 18 300 Вт с КПД 30% ?

936. Сколько надо в час бензина для двигателя мощностью 29,4 кВт, если коэффициент полезного действия двигателя 33% ?

937. Паровая машина мощностью 220 кВт имеет КПД 15%. Сколько каменного угля сгорает в ее топке за 8 ч?

938. Нагреватель за час отдает тепловому двигателю количество теплоты, равное 25,2 МДж. Каков КПД двигателя, если его мощность 1,47 кВт?

939. Современные паровые механизмы расходуют 12,57 МДж в час на 735 Вт. Вычислите КПД таких механизмов.

940. Нагреватель в течение часа отдает паровому молоту на каждые 735 Вт его механической мощности количество теплоты, равное 21,4 МДж. Вычислите КПД молота и сравните его с КПД механизмов из предыдущей задачи.

941. Тепловой двигатель мощностью 1500 кВт имеет КПД 30%. Определите количество теплоты, получаемое двигателем в течение часа.

942. Какое количество теплоты получает в течение часа двигатель Дизеля мощностью 147 кВт и с КПД, равным 34% ?

943. Тепловой двигатель мощностью 1 кВт имеет КПД 25%. Какое количество теплоты в час он получает?

944. Сколько каменного угля в час расходуется тепловым двигателем с КПД, равным 30%, и мощностью 750 Вт?

945. Мощность двигателей океанского лайнера 29,4 МВт, а их КПД равен 25%. Какое количество нефти израсходует лайнер за 5 суток?

946. Бензиновый двигатель мощностью 3660 Вт имеет КПД, равный 30%. На сколько времени работы хватит стакана (200 г) бензина для этого двигателя?

947. Мощность дизельного двигателя 367 кВт, КПД 30%. На сколько суток непрерывной работы хватит запаса нефти 60 т такому двигателю?

Источник

Работа силы тяжести — разность потенциальной энергии

Рассмотрим теперь следующий пример. Яблоко массой 0,2 кг упало на садовый стол с ветки, находящейся на высоте 3 метра от поверхности земли. Столешница располагается на высоте 1 метр от поверхности (рис. 3). Найдем работу силы тяжести в этом процессе.

Рис. 3. На рисунке указано начальное 1 положение тела (яблока) и его конечное 2 положение, отмечены высоты для подсчета работы по вертикальному перемещению тела

Посчитаем потенциальную энергию яблока до его падения и энергию яблока на столешнице.

$ E_{p1} \left(\text{Дж} \right) $ – начальная потенциальная энергия яблока;

$ E_{p2} \left(\text{Дж} \right) $ – конечная потенциальная энергия яблока;

Примечание: Работу можно рассчитать через разность потенциальной энергии тела.

Потенциальную энергию будем вычислять, используя формулу:

$ m \left( \text{кг}\right) $ – масса яблока;

Величина $ \displaystyle g \approx 10 \left(\frac{\text{м}}{c^{2}} \right) $ – ускорение свободного падения.

$ h \left( \text{м}\right) $ – высота, на которой находится яблоко относительно поверхности земли.

Начальная высота яблока над поверхностью земли равна 3 метрам

Потенциальная энергия яблока на столе

Теперь найдем разницу потенциальной энергии яблока в конце падения и перед его началом.

Важно помнить: Когда тело падает на землю, его потенциальная энергия уменьшается. Сила тяжести при этом совершает положительную работу!. Чтобы работа получилась положительной, в правой части формулы перед $ \Delta E_{p}$ дополнительно допишем знак «минус»

Чтобы работа получилась положительной, в правой части формулы перед $ \Delta E_{p}$ дополнительно допишем знак «минус».

Значит, работа, которую потребовалось совершить силе тяжести, чтобы яблоко массой 0,2 кг упало с высоты 3 м на высоту 1 метр, равняется 4 Джоулям.

Примечания:

Если тело падает на землю, работа силы тяжести положительна;
Когда мы поднимаем тело над землей, мы совершаем работу против силы тяжести. Наша работа при этом положительна, а работа силы тяжести будет отрицательной;
Сила тяжести относится к . Для консервативных сил перед разностью потенциальной энергии мы дописываем знак «минус»;
Работа силы тяжести не зависит от траектории, по которой двигалось тело;
Работа для силы $\displaystyle F_{\text{тяж}}$ зависит только от разности высот, в которых тело находилось в конечный и начальный моменты времени.

Рисунок 4 иллюстрирует факт, что для силы $\displaystyle F_{\text{тяж}}$ работа зависит только от разности высот и не зависит от траектории, по которой тело двигалось.

Рис. 4. Разность высот между начальным и конечным положением тела во всех случаях на рисунке одинакова, поэтому, работа силы тяжести для представленных случаев будет одинаковой

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую

Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель

Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач

Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры. Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, ВтP1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95. Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами. Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия . Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

Источник

Понятие КПД (коэффициента полезного действия)

Термин «КПД» широко используется не только среди профессионалов, но и в быту. Под ним понимают, насколько совершенная работа превышает полезную, т.е. ту, ради которой механизм или прибор приобретается.

Учеными разработана специальная формула, из которой следует, что КПД всегда меньше единицы. Чтобы рассчитать коэффициент, нужно полезную работу, выраженную в Джоулях, разделить на энергию, которая затрачена на эту работу. Поскольку энергия также выражается в Джоулях, конечная расчетная величина безразмерна.

Объяснить бытовым языком данное понятие можно так: энергия, выделяемая от плиты, на которой должен закипеть чайник, расходуется не только на его нагревание. Она должна нагреть саму посудину, воздух вокруг нее, сам нагревательный элемент. И только ее часть будет расходоваться на передачу воде. Чтобы сориентироваться, насколько долго будет закипать чайник одного объема на различного вида печах, нужно знать их КПД.

В поисках наиболее эффективного прибора не стоит стремиться к единице. Такого не бывает. Например, КПД атомной электростанции примерно равно 35%.

Происходит это по двум причинам:

Исходя из закона сохранения энергии, получить больше работы, чем затрачено энергии, невозможно.
Любая работа сопровождается определенными потерями, будь-то нагревание тары или преодоление сил трения при движении по поверхности.

Термин КПД применим практически к каждому процессу, в котором имеется затраченная и полезная работа.

Применение в различных сферах физики

Характеризуя КПД, следует учитывать, что он не является константой, поскольку в каждом случае свои особенности энергозатрат. С другой стороны, он не может быть установлен изолированно от конкретных процессов. Если рассмотреть работу электродвигателя, величина его КПД сложится исходя из преобразования энергии тока в механическую работу.

В данном случае КПД рассматривается не как соотношение полезной и общей работы, а как соотношение отдаваемой мощности и подводимой к рабочему механизму.

В формулу (η=P₂/P₁) должны быть включены P₁ – первичная мощность и P₂ – мощность прибора.

В качестве первого примера выведем формулу КПД для варианта определения с величинами работы и затраченной энергии (формула для определения КПД теплового двигателя). Условными обозначениями в ней будут являться: Ап – работа полезная;

Q₁ – количество энергии (или тепла), полученной от нагревающего устройства;
Q₂ – количество энергии (или тепла), отданное в процессе деятельности;
Q₁ – Q₂ – та энергия (или тепло), которая пошла на процесс.

В итоге получится выражение:

Теперь выразим формулу через соотношение мощностей. Условные обозначения следующие:

Р_отд – полезная (эффективная) мощность ;

Р_подв – номинальная мощность.

Формула будет выглядеть так:

Если затрата или передача энергии происходит неоднократно, общий КПД равен сумме КПД на каждом участке процесса:

Решение примеров

Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.

Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:

тяжесть — mg;
реакция опоры — N;
трение — Ftr;
тяга — F.

Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.

При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.

Источник

Формула КПД (коэффициента полезного действия) в физике

В реальной действительности работа, совершаемая при помощи какого — либо устройства, всегда больше полезной работы, так как часть работы выполняется против сил трения, которые действуют внутри механизма и при перемещении его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, совершают дополнительную работу, поднимая сам блок и веревку и, преодолевая силы трения в блоке.

Введем следующие обозначения: полезную работу обозначим $A_p$, полную работу — $A_{poln}$. При этом имеем:

\[A_p Определение и формула КПД

Определение

Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной. Обозначим КПД буквой $\eta $, тогда:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\ \left(2\right).\]

Чаще всего коэффициент полезного действия выражают в процентах, тогда его определением является формула:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\ \left(2\right).\]

При создании механизмов пытаются увеличить их КПД, но механизмов с коэффициентом полезного действия равным единице (а тем более больше единицы) не существует.

И так, коэффициент полезного действия — это физическая величина, которая показывает долю, которую полезная работа составляет от всей произведенной работы. При помощи КПД оценивают эффективность устройства (механизма, системы), преобразующей или передающей энергию, совершающего работу.

Для увеличения КПД механизмов можно пытаться уменьшать трение в их осях, их массу. Если трением можно пренебречь, масса механизма существенно меньше, чем масса, например, груза, который поднимает механизм, то КПД получается немного меньше единицы. Тогда произведенная работа примерно равна полезной работе:

\[A_p\approx A_{poln}\left(3\right).\]

Золотое правило механики

Необходимо помнить, что выигрыша в работе, используя простой механизм добиться нельзя.

Выразим каждую из работ в формуле (3) как произведение соответствующей силы на путь, пройденный под воздействием этой силы, тогда формулу (3) преобразуем к виду:

\[F_1s_1\approx F_2s_2\left(4\right).\]

Выражение (4) показывает, что используя простой механизм, мы выигрываем в силе столько же, сколько проигрываем в пути. Данный закон называют «золотым правилом» механики. Это правило сформулировал в древней Греции Герон Александрийский.

Это правило не учитывает работу по преодолению сил трения, поэтому является приближенным.

КПД при передаче энергии

Коэффициент полезного действия можно определить как отношение полезной работы к затраченной на ее выполнение энергии ($Q$):

\[\eta =\frac{A_p}{Q}\cdot 100\%\ \left(5\right).\]

Для вычисления коэффициента полезного действия теплового двигателя применяют следующую формулу:

\[\eta =\frac{Q_n-Q_{ch}}{Q_n}\left(6\right),\]

где $Q_n$ — количество теплоты, полученное от нагревателя; $Q_{ch}$ — количество теплоты переданное холодильнику.

КПД идеальной тепловой машины, которая работает по циклу Карно равно:

\[\eta =\frac{T_n-T_{ch}}{T_n}\left(7\right),\]

где $T_n$ — температура нагревателя; $T_{ch}$ — температура холодильника.

Примеры задач на коэффициент полезного действия

Пример 1

Задание. Двигатель подъемного крана имеет мощность $N$. За отрезок времени равный $\Delta t$ он поднял груз массой $m$ на высоту $h$. Каким является КПД крана?\textit{}

Решение. Полезная работа в рассматриваемой задаче равна работе по подъему тела на высоту $h$ груза массы $m$, это работа по преодолению силы тяжести. Она равна:

\[A_p=mgh\ \left(1.1\right).\]

Полную работу, которая выполняется при поднятии груза, найдем, используя определение мощности:

\[N=\frac{A_{poln}}{\Delta t}\to A_{poln}=N\Delta t\left(1.2\right).\]

Воспользуемся определением коэффициента полезного действия для его нахождения:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\left(1.3\right).\]

Формулу (1.3) преобразуем, используя выражения (1. 1) и (1.2):

\[\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%.\]

Ответ. $\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%$

Пример 2

Задание. Идеальный газ выполняет цикл Карно, при этом КПД цикла равно $\eta $. Какова работа в цикле сжатия газа при постоянной температуре? Работа газа при расширении равна $A_0$

Решение. Коэффициент полезного действия цикла определим как:

\[\eta =\frac{A_p}{Q}\left(2.1\right).\]

Рассмотрим цикл Карно, определим, в каких процессах тепло подводят (это будет $Q$).

Так как цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, можно сразу сказать, что в адиабатных процессах (процессы 2-3 и 4-1) теплообмена нет. В изотермическом процессе 1-2 тепло подводят (рис.1 $Q_1$), в изотермическом процессе 3-4 тепло отводят ($Q_2$). Получается, что в выражении (2. 1) $Q=Q_1$. Мы знаем, что количество теплоты (первое начало термодинамики), подводимое системе при изотермическом процессе идет полностью на выполнение газом работы, значит:

\[Q=Q_1=A_{12}\left(2.2\right).\]

Газ совершает полезную работу, которую равна:

\[A_p=Q_1-Q_2\left(2.3\right).\]

Количество теплоты, которое отводят в изотермическом процессе 3-4 равно работе сжатия (работа отрицательна) (так как T=const, то $Q_2=-A_{34}$). В результате имеем:

\[A_p=A_{12}+A_{34}\left(2.4\right).\]

Преобразуем формулу (2.1) учитывая результаты (2.2) — (2.4):

\[\eta =\frac{A_{12}+A_{34}}{A_{12}}\to A_{12}\eta =A_{12}+A_{34}\to A_{34}=(\eta -1)A_{12}\left(2.4\right).\]

Так как по условию $A_{12}=A_0,\ $окончательно получаем:

\[A_{34}=\left(\eta -1\right)A_0.\]

Ответ. $A_{34}=\left(\eta -1\right)A_0$

Читать дальше: формула линейной скорости.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Коэффициент полезного действия ?, формула КПД в физике. Как найти КПД⚡

Автор Даниил Леонидович На чтение 7 мин. Просмотров 42.8k. Опубликовано 18 ноября
Обновлено 22 января

Содержание

Что такое КПД
Примеры расчета КПД
Единицы измерения
От чего зависит величина КПД
Как обозначается
Символ, обозначающий КПД
Мощность и КПД
Формула работы в физике
Это интересно

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия машины или механизма – это важная величина, характеризующая энергоэффективность данного устройства. Понятие используется и в повседневной жизни. Например, когда человек говорит, что КПД его усилий низкий, это значит, что сил затрачено много, а результата почти нет. Величина измеряет отношение полезной работы ко всей совершенной работе.

Согласно формуле, чтобы найти величину, нужно полезную работу разделить на всю совершенную работу. Или полезную энергию разделить на всю израсходованную энергию. Этот коэффициент всегда меньше единицы. Работа и энергия измеряется в Джоулях. Поделив Джоули на Джоули, получаем безразмерную величину. КПД иногда называют энергоэффективностью устройства.

Если попытаться объяснить простым языком, то представим, что мы кипятим чайник на плите. При сгорании газа образуется определенное количество теплоты. Часть этой теплоты нагревает саму горелку, плиту и окружающее пространство. Остальная часть идет на нагревание чайника и воды в нем. Чтобы рассчитать энергоэффективность данной плитки, нужно будет разделить количество тепла, требуемое для нагрева воды до температуры кипения на количество тепла, выделившееся при горении газа.

Данная величина всегда ниже единицы. Например, для любой атомной электростанции она не превышает 35%. Причиной является то, что электростанция представляет собой паровую машину, где нагретый за счет ядерной реакции пар вращает турбину. Большая часть энергии идет на нагрев окружающего пространства. Тот факт, что η не может быть равен 100%, следует из второго начала термодинамики.

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха — 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные — окна, двери и т.д.

Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.

Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж

Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.

Единицы измерения

Коэффициент полезного действия – величина безразмерная, то есть не нужно ставить какую-либо единицу измерения. Но эту величину можно выразить и в процентах. Для этого полученное в результате деления по формуле число необходимо умножить на 100%. В школьном курсе математики рассказывали, что процент – этот одна сотая чего-либо. Умножая на 100 процентов, мы показываем, сколько в числе сотых.

От чего зависит величина КПД

Эта величина зависит от того, насколько общая совершенная работа может переходить в полезную. Прежде всего, это зависит от самого устройства механизма или машины. Инженеры всего мира бьются над тем, чтобы повышать КПД машин. Например, для электромобилей коэффициент очень высок – больше 90%.

А вот двигатель внутреннего сгорания, в силу своего устройства, не может иметь η, близкий к 100 процентам. Ведь энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия рассеивается на каждом передаточном звене. Слишком много передаточных звеньев, и часть выхлопных газов все равно выходит в выхлопную трубу.

Как обозначается

В русских учебниках обозначается двояко. Либо так и пишется – КПД, либо обозначается греческой буквой η. Эти обозначения равнозначны.

Символ, обозначающий КПД

Символом является греческая буква эта η. Но чаще все же используют выражение КПД.

Мощность и КПД

Мощность механизма или устройства равна работе, совершаемой в единицу времени. Работа(A) измеряется в Джоулях, а время в системе Си – в секундах. Но не стоит путать понятие мощности и номинальной мощности. Если на чайнике написана мощность 1 700 Ватт, это не значит, что он передаст 1 700 Джоулей за одну секунду воде, налитой в него. Это мощность номинальная. Чтобы узнать η электрочайника, нужно узнать количество теплоты(Q), которое должно получить определенное количество воды при нагреве на энное количество градусов. Эту цифру делят на работу электрического тока, выполненную за время нагревания воды.

Величина A будет равна номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q будет равно объему воды, умноженному на разницу температур на удельную теплоемкость. Потом делим Q на A тока и получаем КПД электрочайника, примерно равное 80 процентам. Прогресс не стоит на месте, и КПД различных устройств повышается, в том числе бытовой техники.

Напрашивается вопрос, почему через мощность нельзя узнать КПД устройства. На упаковке с оборудованием всегда указана номинальная мощность. Она показывает, сколько энергии потребляет устройство из сети. Но в каждом конкретном случае невозможно будет предсказать, сколько конкретно потребуется энергии для нагрева даже одного литра воды.

Например, в холодной комнате часть энергии потратится на обогрев пространства. Это связано с тем, что в результате теплообмена чайник будет охлаждаться. Если, наоборот, в комнате будет жарко, чайник закипит быстрее. То есть КПД в каждом из этих случаев будет разным.

Формула работы в физике

Для механической работы формула несложна: A = F x S. Если расшифровать, она равна приложенной силе на путь, на протяжении которого эта сила действовала. Например, мы поднимаем груз массой 15 кг на высоту 2 метра. Механическая работа по преодолению силы тяжести будет равна F x S = m x g x S. То есть, 15 x 9,8 x 2 = 294 Дж. Если речь идет о количестве теплоты, то A в этом случае равняется изменению количества теплоты. Например, на плите нагрели воду. Ее внутренняя энергия изменилась, она увеличилась на величину, равную произведению массы воды на удельную теплоемкость на количество градусов, на которое она нагрелась.

Это интересно

Наукой обосновано, что коэффициент полезного действия любого механизма всегда меньше единицы. Это связано со вторым началом термодинамики.

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

гидроэлектростанций 93-95%;
АЭС – не более 35%;
тепловых электростанций – 25-40%;
бензинового двигателя – около 20%;
дизельного двигателя – около 40%;
электрочайника – более 95%;
электромобиля – 88-95%.

Наука и инженерная мысль не стоит на месте. постоянно изобретаются способы, как уменьшить теплопотери, снизить трение между частями агрегата, повысить энергоэффективность техники.

Коэффициент полезного действия (КПД): формула и примеры расчета

Содержание:

Словом «полезное» в физике является эффект после сопротивления. Ярким примером можно назвать сопротивление металла обрабатывающему станку, для подъемного крана – масса объекта. Например, КПД обычной лампы накапливания не превышает 5%, когда светодиодные имеют гораздо выше. Это происходит потому что большая часть потребляемой энергии уходит на генерирование теплоты, а не света.

Подобное есть и в электронике и этот коэффициент необходимо учитывать при проектировании плат, электросхем. Здесь важно учитывать сопротивление проводимости металла и использовать материалы имеющие меньшее сопротивление. В статье будут рассмотрены основные аспекты КПД, как его рассчитывать, на что он влияет и какие есть основные возможности, чтобы его увеличить.

Формула коэффициента полезного действия (КПД).

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия (кпд) – отношение полезно используемой энергии Wп, напр. в виде работы, к общему кол-ву энергии W, получаемой системой (машиной или двигателем), Wп/W. Из-за неизбежных потерь энергии на трение и др. неравновесные процессы для реальных систем всегда. На основании второго начала термодинамики для тепловых машин наибольший кпд (отношение работы Wп, совершаемой за один цикл, к кол-ву подведённой к ней за этот цикл теплоты Q)зависит только от темп-ры нагревателя T1 и холодильника Т2 и равен = Wп/Q= (Т1- T2/T1(Карно теорема).

Как обозначаются конденсаторы на схеме.

Как отличается параллельное и последовательное соединение резисторов.

Масляные трансформаторы – что это такое, устройство и принцип работы.

Для электрич. двигателей кпд равен отношению полезной механич. работы к электрич. энергии, получаемой от источника; в электрич. трансформаторах кпд – отношение эл–магн. энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой в первичной обмотке. Понятие кпд имеет общий характер и применимо к разл. системам: электрич. генераторам, двигателям разного рода, полупроводниковым приборам, биол. объектам, поэтому оно может служить для сравнительной оценки эффективности разнообразных процессов.

Интересно почитать: Что такое закон Джоуля-Ленца.

Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей

Электрические двигатели имеют высокий коэффициент полезного действия (КПД), но все же он далек от идеальных показателей, к которым продолжают стремиться конструкторы. Все дело в том, что при работе силового агрегата преобразование одного вида энергии в другой проходит с выделение теплоты и неминуемыми потерями. Рассеивание тепловой энергии можно зафиксировать в разных узлах двигателя любого типа. Потери мощности в электродвигателях являются следствием локальных потерь в обмотке, в стальных деталях и при механической работе. Вносят свой вклад, пусть и незначительный, дополнительные потери.

Расчет КПД.

Магнитные потери мощности

При перемагничивании в магнитном поле сердечника якоря электродвигателя происходят магнитные потери. Их величина, состоящая из суммарных потерь вихревых токов и тех, что возникают при перемагничивании, зависят от частоты перемагничивания, значений магнитной индукции спинки и зубцов якоря. Немалую роль играет толщина листов используемой электротехнической стали, качество ее изоляции.

Механические и электрические потери

Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они складываются из потерь на трение подшипников, на трение щеток, на вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери позволяет использование современных материалов, эксплуатационные характеристики которых совершенствуются из года в год. В отличие от них электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают вследствие нагрева щеток, щеточного контакта.

[stextbox id=’alert’]Падает коэффициент полезного действия (КПД) от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение эффективности работы двигателя.[/stextbox]

Добавочные потери

Добавочные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из потерь из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Вносят свой вклад в общую сумму добавочных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках. Точно определить все эти значения довольно сложно, поэтому их сумму принимают обычно равной в пределах 0,5-1%. Эти цифры используют при расчете общих потерь для определения КПД электродвигателя.

КПД и его зависимость от нагрузки

Коэффициент полезного действия (КПД) электрического двигателя это отношение полезной мощности силового агрегата к мощности потребляемой. Этот показатель у двигателей, мощностью до 100 кВт находится в пределах от 0,75 до 0,9. для более мощных силовых агрегатов КПД существенно выше: 0,9-0,97. Определив суммарные потери мощности в электродвигателях можно достаточно точно вычислить коэффициент полезного действия любого силового агрегата. Этот метод определения КПД называется косвенным и он может применяться для машин различной мощности.

Лагутин Виталий Сергеевич

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Задать вопрос

Для маломощных силовых агрегатов часто используют метод непосредственной нагрузки, заключающийся в измерениях потребляемой двигателем мощности. КПД электрического двигателя не является величиной постоянной, своего максимума он достигает при нагрузках около 80% мощности.

Достигает он пикового значения быстро и уверенно, но после своего максимума начинает медленно уменьшаться. Это связывают с возрастанием электрических потерь при нагрузках, более 80% от номинальной мощности. Падение коэффициента полезного действия не велико, что позволяет говорить о высоких показателях эффективности электродвигателей в широком диапазоне мощностей.

В чем измеряется КПД

Коэффициент полезного действия (кпд), характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно h = Wпол/Wcyм.

В электрических двигателях кпд — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях — отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах — отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

Интересно почитать: Как образуется статическое электричество.

Для вычисления кпд разные виды энергии и механическая работа выражаются в одинаковых единицах на основе механического эквивалента теплоты, и др. аналогичных соотношений. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т. д.

Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т. п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т. е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. Кпд тепловых электростанций достигает 35—40%, двигателей внутреннего сгорания — 40—50%, динамомашин и генераторов большой мощности—95%, трансформаторов—98%.

В чем измеряется КПД.

Кпд процесса фотосинтеза составляет обычно 6—8%, у хлореллы он достигает 20—25%. У тепловых двигателей в силу второго начала термодинамики кпд имеет верхний предел, определяемый особенностями термодинамического цикла (кругового процесса), который совершает рабочее вещество. Наибольшим кпд обладает Карно цикл. Различают кпд отдельного элемента (ступени) машины или устройства и кпд, характеризующий всю цепь преобразований энергии в системе. Кпд первого типа в соответствии с характером преобразования энергии может быть механическим, термическим и т. д. Ко второму типу относятся общий, экономический, технический и др. виды кпд. Общий кпд системы равен произведению частных кпд, или кпд ступеней.

В технической литературе кпд иногда определяют т. о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением Wпол/Wзатр, где Wпол — используемая энергия, получаемая на «выходе» системы, Wзатр — не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты.

Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей (тепловых насосов) затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд h = Wпол/Wзатр может оказаться больше единицы.

Примеры расчета КПД.

Для чего нужен расчет КПД

Коэффициент полезного действия электрической цепи – это отношение полезного тепла к полному. Для ясности приведем пример. При нахождении КПД двигателя можно определить, оправдывает ли его основная функция работы затраты потребляемого электричества. То есть его расчет даст ясную картину, насколько хорошо устройство преобразовывает получаемую энергию. Обратите внимание! Как правило, коэффициент полезного действия не имеет величины, а представляет собой процентное соотношение либо числовой эквивалент от 0 до 1. КПД находят по общей формуле вычисления, для всех устройств в целом. Но чтобы получить его результат в электрической цепи, вначале потребуется найти силу электричества.

По физике известно, что любой генератор тока имеет свое сопротивление, которое еще принято называть внутренняя мощность. Помимо этого значения, источник электричества также имеет свою силу. Дадим значения каждому элементу цепи: сопротивление – r; сила тока – Е; резистор (внешняя нагрузка) – R. Полная цепь Итак, чтобы найти силу тока, обозначение которого будет – I, и напряжение на резисторе – U, потребуется время – t, с прохождением заряда q = lt. Рассчитать работу источника тока можно по следующей формуле: A = Eq = EIt. В связи с тем, что сила электричества постоянна, работа генератора целиком преобразуется в тепло, выделяемое на R и r. Такое количество можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца: Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.

Формулы расчета КПД.

Затем приравниваются правые части формулы: EIt = I2 (R + r) t. Осуществив сокращение, получается расчет: E = I(R + r). Произведя у формулы перестановку, в итоге получается: I = E R + r. Данное итоговое значение будет являться электрической силой в данном устройстве. Произведя таким образом предварительный расчет, теперь можно определить КПД.

Расчет КПД электрической цепи Мощность, получаемая от источника тока, называется потребляемой, определение ее записывается – P1. Если эта физическая величина переходит от генератора в полную цепь, она считается полезной и записывается – Р2. Чтобы определить КПД цепи, необходимо вспомнить закон сохранения энергии.

В соответствии с ним, мощность приемника Р2 будет всегда меньше потребляемой мощности Р1. Это объясняется тем, что в процессе работы в приемнике всегда происходит неизбежная пустая трата преобразуемой энергии, которая расходуется на нагревание проводов, их оболочки, вихревых токов и т.д. Чтобы найти оценку свойств превращения энергии, необходим КПД, который будет равен отношению мощностей Р2 и Р1.

Итак, зная все значения показателей, составляющих электроцепи, находим ее полезную и полную работу: А полезная. = qU = IUt =I2Rt; А полная = qE = IEt = I2(R+r)t. В соответствии этих значений, найдем мощности источника тока: Р2 = А полезная /t = IU = I2 R; P1 = А полная /t = IE = I2 (R + r). Произведя все действия, получаем формулу КПД: n = А полезная / А полная = Р2 / P1 =U / E = R / (R +r). У этой формулы получается, что R выше бесконечности, а n выше 1, но при всем этом ток в цепи остается в низком положении, и его полезная мощность мала.

Каждый желает найти КПД повышенного значения. Для этого необходимо найти условия, при которых P2 будет максимален. Оптимальные значения будут: dP2 / dR = 0. Далее определить КПД можно формулами: P2 = I2 R = (E / R + r)2 R; dP2 / dR = (E2 (R + r)2 — 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0; E2 ((R + r) -2R) = 0. В данном выражении Е и (R + r) не равны 0, следовательно, ему равно выражение в скобках, то есть (r = R). Тогда получается, что мощность имеет максимальное значение, а коэффициент полезного действия = 50 %. Как видно, найти коэффициент полезного действия электрической цепи можно самостоятельно, не прибегая к услугам специалиста. Главное –соблюдать последовательность в расчетах и не выходить за рамки приведенных формул.

https://www.youtube.com/watch?v=B0rBgKtPEZg

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.

Расчет коэффициента полезного действия.

Почему коэффициент полезного действия всегда меньше 100%?

КПД 100% означает, что вся энергия, затраченная на получение мощности двигателя, используется им в работе. В природе такого, в принципе, никогда не бывает, и поэтому КПД всех двигателей всегда меньше 100 процентов.

Как повысить коэффициент полезного действия механизма?

КПД механизмов можно увеличить, снижая трение в подвижных узлах и вес всех составных элементов конструкции. Для этого нужны новые смазочные вещества и лёгкие, но прочные конструкционные материалы.

Чему равен коэффициент полезного действия неподвижного блока?

Например, поднимая груз с помощью подвижного блока, приходится вместе с грузом поднимать и блок, а при этом необходимо совершать «дополнительную» работу. Отношение полезной работы Апол к совершенной Асов, выраженное в процентах, обозначают η и называют коэффициентом полезного действия (КПД): η = Апол/Асов · 100%.

Заключение

Лагутин Виталий Сергеевич

Задать вопрос

Дополнительную информацию по данной теме можно узнать из файла «Способы определения коэффициента полезного действия». А также в нашей группе ВК публикуются интересные материалы, с которыми вы можете познакомиться первыми. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

www.gk-drawing.ru

www.femto.com.ua

www.cable.ru

www.booksite.ru

www.elquanta.ru

www. remont220.ru

www.el-info.ru

ТеорияЧто такое электрическое поле: объяснение простыми словам

ТеорияПравила безопасности при работе с электричеством

Коэффициент полезного действия (КПД) — формулы и расчеты » Kupuk.net

Эффективность и продолжительность работы силового агрегата зависит от коэффициента полезного действия (КПД). При эксплуатации двигатель превращает тепловую энергию, которая образуется в результате сгорания топлива в механическую. Чтобы найти коэффициент, учитываются характеристики мотора. Формула КПД в физике представлена в виде процентного отношения полезной работы к общей.

Трактовка понятия

Электродвигатель и другие механизмы выполняют определённую работу, которая называется полезной. Устройство, функционируя, частично растрачивает энергию. Для определения эффективности работы применяется формула ɳ= А1/А2×100%, где:

А1 — полезная работу, которую выполняет машина либо мотор;
А2 — общий цикл работы;
η — обозначение КПД.

Показатель измеряется в процентах. Для нахождения коэффициента в математике используется следующая формула: η= А/Q, где А — энергия либо полезная работа, а Q — затраченная энергия. Чтобы выразить значение в процентах, КПД умножается на 100%. Действие не несёт содержательного смысла, так как 100% = 1. Для источника тока КПД меньше единицы.

В старших классах ученики решают задачи, в которых нужно найти КПД тепловых двигателей. Понятие трактуется следующим образом: отношение выполненной работы силового агрегата к энергии, полученной от нагревателя. Расчет производится по следующей формуле: η= (Q1-Q2)/Q1, где:

Q1 — теплота, полученная от нагревательного элемента;
Q2 — теплота, отданная холодильной установке.

Максимальное значение показателя характерно для циклической машины. Она оперирует при заданных температурах нагревательного элемента (Т1) и холодильника (Т2). Измерение осуществляется по формуле: η= (Т1-Т2)/Т1. Чтобы узнать КПД котла, который функционирует на органическом топливе, используется низшая теплота сгорания.

Плюс теплового насоса как нагревательного прибора заключается в возможности получать больше энергии, чем он может затратить на функционирование. Показатель трансформации вычисляется путём деления тепла конденсации на работу, затрачиваемую на выполнение данного процесса.

Мощность разных устройств

По статистике, во время работы прибора теряется до 25% энергии. При функционировании двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает частично. Небольшой процент вылетает в выхлопную трубу. При запуске бензиновый мотор греет себя и составные элементы. На потерю уходит до 35% от общей мощности.

При движении механизмов происходит трение. Для его ослабления используется смазка. Но она неспособна полностью устранить явление, поэтому затрачивается до 20% энергии. Пример на автомобиле: если расход составляет 10 литров топлива на 100 км, на движение потребуется 2 л, а остаток, равный 8 л — потеря.

Если сравнивать КПД бензинового и дизельного моторов, полезная мощность первого механизма равна 25%, а второго — 40%. Агрегаты схожи между собой, но у них разные виды смесеобразования:

Поршни бензинового мотора функционируют на высоких температурах, поэтому нуждаются в хорошем охлаждении. Тепло, которое могло бы перейти в механическую энергию, тратится впустую, что способствует снижению КПД.

В цепи дизельного устройства топливо воспламеняется в процессе сжатия. На основе данного фактора можно сделать вывод, что давление в цилиндрах высокое, при этом мотор экологичнее и меньше первого аналога. Если проверить КПД при низком функционировании и большом объёме, результат превысит 50%.

Асинхронные механизмы

Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:

простое изготовление;
низкая цена;
надёжность;
незначительные эксплуатационные затраты.

Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.

Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.

Значения показателя

В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.

На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.

Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:

подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
применение специального топлива;
замена некоторых деталей;
перенос места сжигания бензина.

КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.

Решение примеров

тяжесть — mg;
реакция опоры — N;
трение — Ftr;
тяга — F.

Простая физика — EASY-PHYSIC

В этой статье разобраны задачи на КПД тепловой машины. Статья пригодится как школьникам 8-го, так и школьникам 11-го классов при подготовке к ЕГЭ по физике.

Задача 1. На спиртовке нагревают воду. Взяли 175 г воды и нагрели от С до С. При этом масса спиртовки уменьшилась с 163 г до 157 г. Найти КПД тепловой установки.

Запишем формулу, по которой определяется КПД:

Определим «полезное» тепло. Это то тепло, которое пошло на нагрев воды ( Дж/(кг К) — удельная теплоемкость воды, табличная величина):

Теперь определим, сколько энергии было на это потрачено. Эта энергия выделилась при сгорании спирта ( Дж/кг — удельная теплота сгорания спирта, табличная величина):

Определяем КПД:

Ответ: 27 %

Задача 2.

Тепловой двигатель совершил полезную работу 23000 кДж и израсходовал при этом 2 кг бензина. Найти КПД теплового двигателя.

Задача эта похожа на предыдущую, только проще. Здесь уже определена полезная работа, поэтому нам осталось определить затраченную (сколько джоулей получили при сгорании бензина):

Удельную теплоту сгорания бензина посмотрим в таблице — она равна 46 МДж/кг, поэтому

Определяем КПД:

Ответ: 25 %

Задача 3.

Тепловой двигатель совершает за цикл работу 800 Дж. При этом холодильнику передается количество теплоты 1000 Дж. Определите количество теплоты, получаемое от нагревателя за один цикл и КПД двигателя.

КПД двигателя можно найти как отношение работы к полученному количеству теплоты:

При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:

Тогда КПД машины:

Ответ: Дж, .

Задача 4.

КПД теплового двигателя равно 40 %. Какое количество теплоты получает этот двигатель от нагревателя за один цикл, если холодильнику при этом передается количество теплоты 400 Дж? Какую работу совершает двигатель за цикл?

КПД двигателя можно найти, как отношение разности полученного и отданного количеств теплоты к полученному количеству теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:

Тогда работа машины:

Ответ: Дж, .

Задача 5.

Вычислите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1,5 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Тогда

По условию

Откуда

Тогда КПД машины:

Ответ: , .

Задача 6.

Определите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл, в 1,6 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Тогда

По условию

Тогда КПД машины:

Ответ: Дж, .

Задача 7.

Нагревателем тепловой машины является насыщенный водяной пар при температуре С, а холодильником —лед при температуре С. Найдите КПД этой машины, если за один цикл ее работы конденсируется 10 г пара в нагревателе и плавится 50 г льда в холодильнике. Удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/кг, удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг.

При конденсации пара выделяется теплота. Это количество теплоты, полученное тепловым двигателем. Таяние льда, наоборот, требует передачи льду теплоты. Это – отданное машиной тепло. Найдем обе эти составляющие.

Тогда КПД машины

Ответ: .

Задача 8.

Вычислите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику, в 1,2 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение – точно такое же, как у задачи 5. Приведу только ответ: 45%.

Задача 9.

Определите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл, в 1,4 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение простое, похоже на задачу 6. Приведу только ответ: , 240 Дж.

Задача 10.

Тепловой двигатель с КПД, равным 20 %, совершил работу 400 Дж. Какое количество теплоты при этом было передано холодильнику и какое — получено от нагревателя?

При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти отданное двигателем количество теплоты:

Ответ:

Дж, Дж.

Задача 11.

Существует некая цепочка из 5-ти двигателей, КПД каждого из которых 90%. 1-й двигатель получает от нагревателя 2 кДж, а все последующие двигатели потребляют полезную работу предыдущего. Будет ли такая цепочка эффективнее, чем один двигатель с КПД 60%, получающий то же количество теплоты от нагревателя?

Рассчитаем полезную работу первого двигателя:

Теперь рассчитаем работу цепочки двигателей.

Первый:

Второй:

Третий:

Четвертый:

Пятый:

Ответ: нет, не будет: Дж.

Калькулятор эффективности

Создано Bogna Szyk

Отзыв от Jack Bowater

Последнее обновление: 22 июля 2022 г.

Содержание:

Как пользоваться калькулятором эффективности
Что такое эффективность?
Как рассчитать эффективность?
Реальные приложения
Часто задаваемые вопросы

Калькулятор энергоэффективности представляет собой простой инструмент для расчета отношения полезной выходной энергии к потребляемой энергии. Вы можете использовать его для определения пропорций тепловой энергии, электроэнергии, механической работы или даже химической энергии. Продолжайте читать, чтобы узнать как рассчитать эффективность и открыть для себя реальные применения формулы эффективности.

Как использовать калькулятор эффективности

Калькулятор эффективности прост в использовании:

Введите два из трех значений.
Калькулятор эффективности рассчитает оставшееся значение и отобразит его в своем поле.

Что такое эффективность?

Эффективность определяется как отношение выходной энергии к потребляемой энергии . Всякий раз, когда вы подводите энергию или тепло к машине (например, к двигателю автомобиля), определенная часть этой энергии тратится впустую, и только некоторая часть преобразуется в выходную мощность в виде действительной работы. Чем эффективнее машина, тем больше производительность она производит при заданном входе .

Особым типом эффективности является эффективность Карно. Он определяется как КПД двигателя Карно, который является идеальным двигателем, обеспечивающим максимальную выходную мощность.

Как рассчитать эффективность?

Для расчета КПД необходимо применить следующую формулу:

η=Eвых/Eвх⋅100%η = E_\text{вых} / E_\текст{вх} \cdot 100\%η=Eвых /Ein⋅100%

где:

ηηη – КПД (в процентах),
EoutE_\text{out}Eout — выходная энергия (в джоулях), а
EinE_\text{in}Ein — подводимая энергия (также в джоулях).

Любая эффективность, рассчитанная на основе реальных значений, будет находиться в диапазоне от 0% до 100%.

КПД 0% означает, что вся входная энергия тратится впустую, а выходная энергия равна нулю.
С другой стороны, КПД 100% означает, что нет никакой траты энергии.

Основной закон сохранения энергии гласит, что вы не можете создать энергию. Поэтому КПД любой машины никогда не может превышать 100%. Тем не менее, вы, вероятно, встретите статьи, в которых говорится, что светодиодные светильники или тепловые насосы могут иметь КПД 300% и более.

Как это возможно? Кажущаяся эффективность в 300% вытекает из определения эффективности, которое мы используем. Электрическая мощность, подаваемая на светодиодные фонари, может быть на самом деле ниже выходной, но это не означает, что энергия была создана в процессе. Это просто означает, что огни получили некоторую тепловую энергию из окружающей среды и преобразовали ее в выходную энергию. Поскольку мы не можем измерить этот дополнительный вход, кажущаяся эффективность превышает 100%.

Реальные приложения

Хотя вы, вероятно, этого не замечаете, мы применяем определение эффективности к другим явлениям реальной жизни. Вот некоторые примеры:

Возврат инвестиций (ROI) . Если вы внимательно посмотрите на формулу ROI, то увидите, что она аналогична уравнению эффективности. Это значение описывает, какова «эффективность» ваших денег при инвестировании. В отличие от энергоэффективности показатель ROI может (и фактически должен) превышать 100% — если он ниже 100%, вы теряете деньги!
Топливная эффективность . Несмотря на то, что формула для MPG (миль на галлон) не имеет прямого отношения к уравнению эффективности, она описывает, насколько эффективно ваш двигатель преобразует топливо в фактическую мощность. Чем менее эффективен двигатель, тем больше топлива ему нужно для преодоления того же расстояния.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать эффективность машины?

Чтобы рассчитать эффективность машины, выполните следующие действия:

Определить энергию, подведенную к машине , или работу, совершенную машиной.
Определите энергию, произведенную машиной , или работу, совершенную машиной.
Разделите значение из шага 2 на значение из шага 1 и умножьте результат на 100 .
Поздравляем! Вы рассчитали КПД данной машины.

Что такое единица эффективности?

Эффективность — безразмерная величина . Это отношение выходной энергии к входной энергии; следовательно, у него нет единиц.

Что подразумевается под КПД машины 60%?

КПД 60% означает, что только 60% энергии, поступающей в машину, может быть преобразовано в полезную работу , а остальное теряется.

Может ли настоящая машина иметь КПД 100%?

№ , настоящая машина не может иметь КПД 100%. КПД 100% означает, что потери отсутствуют, а выходная энергия (или работа) машины равна входной энергии (или работе). В реальных машинах всегда есть некоторая потеря энергии на преодоление трения и сопротивления воздуха .

Bogna Szyk

Потребляемая энергия

Выходная энергия

Эффективность

Посмотреть 36 похожих термодинамических калькуляторов0003

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания – x-engineer.org

Содержание

Определение
Формула
Пример
Калькулятор

соотношение воздух-топливо внутри цилиндра. Чем больше воздуха мы можем получить в камеру сгорания, тем больше топлива мы можем сжечь, тем выше выходной крутящий момент и мощность двигателя.

Поскольку воздух имеет массу, он обладает инерцией. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка действуют как ограничители потока воздуха в цилиндры. К объемный КПД измеряем мощность двигателя для заполнения доступного геометрического объема двигателя воздухом. Его можно рассматривать как отношение объема воздуха, всасываемого в цилиндр (реального), к геометрическому объему цилиндра (теоретического).

Вернуться назад

Формула

Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время на дорожных транспортных средствах, имеют фиксированный объемный объем (рабочий объем), определяемый геометрией цилиндра и кривошипно-шатунным механизмом. Строго говоря, общий объем двигателя V _t [м ³ ] вычисляется как функция от общего числа цилиндров n _c [-] и объема одного цилиндра V _цил [м ^{3 1] 90}.

V _t = n _c · V _cyl

(1)

Полный объем цилиндра равен сумме перемещенного (рабочего) объема V _{d 9 3}

8 [м]

и клиренс объем V _c [м ³ ] .

V _cyl = V _d + V _c

(2)

Рабочий объем очень мал по сравнению с рабочим объемом (например, соотношение 1:12), поэтому им можно пренебречь при расчете объемный КПД двигателя.

Изображение: Основные параметры геометрии поршня и цилиндра двигателей внутреннего сгорания

где:

IV – впускной клапан
EV – выпускной клапан
ВМТ – верхняя мертвая точка
НМТ – нижняя мертвая точка
B – диаметр цилиндра
S – ход поршня
r – длина шатуна
a – радиус кривошипа (вылет)
x – расстояние между осью кривошипа и осью поршневого пальца
θ – угол поворота коленчатого вала
Vd – рабочий (рабочий) объем
Vc – объемный просвет

Объемный КПД η _v [-] определяется как отношение фактического (измеренного) объема всасываемого воздуха V _к [м ³ ] всасывается в цилиндр/двигатель и теоретический объем двигателя/цилиндра V _d [m ³ ], во время такта впуска двигателя.

η _v = V _a / V _d

(3)

Объемный КПД можно рассматривать также как КПД двигателя внутреннего сгорания для заполнения цилиндров всасываемым воздухом. Чем выше объемный КПД, тем больше объем всасываемого воздуха в двигатель.

В двигателях с непрямым впрыском топлива (в основном бензиновых) всасываемый воздух смешивается с топливом. Поскольку количество топлива относительно мало (соотношение 1:14,7) по сравнению с количеством воздуха, мы можем пренебречь массой топлива для расчета объемного КПД.

Фактический объем всасываемого воздуха может быть рассчитан как функция массы воздуха м _a [кг] и плотности воздуха ρ _a [кг/м ³ ] :

V 6 м a / ρ _a

(4)

Замена (4) в (3) дает объемный КПД, равный: )

(5)

Обычно на динамометрическом стенде измеряется массовый расход всасываемого воздуха [кг/с] вместо воздушной массы [кг] . Следовательно, нам нужно использовать массовый расход воздуха для расчета объемной эффективности.

M _AF = (M _A · N _E) / N _R

(6)

Где:

N _E [ROT / S] — скорость двигателя
_E n _r [-] – число оборотов коленчатого вала за полный цикл двигателя (для 4-тактного двигателя n _r = 2 )

Из уравнения (6) можно записать массу всасываемого воздуха как:

m _a = (m _af · n _r ) / N _e

(3) 9 Замена (7) в (5) дает объемный КПД, равный:

(8)

Максимальная объемная эффективность составляет 1,00 (или 100%). При этом значении двигатель способен всасывать в двигатель весь теоретический объем воздуха. Существуют особые случаи, когда двигатель специально рассчитан на одну рабочую точку, для которой объемный КПД может быть несколько выше 100 %.

Если давление воздуха на впуске p _a [Па] и температура T _a [K] измеряются во впускном коллекторе, плотность воздуха на впуске можно рассчитать как:

ρ a _{a _{= P _A / (R _A · T _A)}}

(9)

Где:

ρ _A [кг / м ³] — Интехнологический воздушный. a [Па] – давление воздуха на впуске
T _a [K] – температура воздуха на впуске
R _a [Дж/кгK] – газовая постоянная для сухого воздуха (равна 286,9 Дж/кгK )

Вернуться назад

2 Пример Рассмотрим двигатель с воспламенением от сжатия (дизель) со следующими параметрами:

V _d = 3,8 л
n _r = 2
p _a = 1,5 бар
T _{a 9023 R 6 9040 °C a} = 286,9 Дж/кгK
Н _e = 1000 об/мин
м _af = 0,0375 кг/с

Для вышеуказанных параметров двигателя рассчитайте объемный КПД .

Шаг 1 . Рассчитайте плотность воздуха на впуске , используя уравнение (9). Убедитесь, что все единицы измерения совпадают.

ρ _a = (1,5 · 10 ⁵ ) / (286,9 · 313,15) = 1,67 кг/м ³

0205°С до К .

Шаг 2 . Рассчитайте объемный КПД двигателя, используя уравнение (8).

η _v = (0.0375 · 2) / (1.67 · 3.8 · 10 ^-3 · 16.667) = 0.70 = 70.91 %

The engine displacement was converted from L to m ³ and обороты двигателя с об/мин до об/с .

Изображение: Функция объемного КПД давления воздуха на впуске и частоты вращения двигателя

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, таких как:

геометрия впускного коллектора
давление воздуха на впуске
температура воздуха на впуске
массовый расход воздуха на впуске (который зависит от двигателя скорость)

Обычно двигатели рассчитаны на максимальную объемную эффективность при средних/высоких оборотах двигателя и нагрузке.

Вы также можете проверить свои результаты, используя 9Калькулятор объемной эффективности 0021 ниже.

Go Back

Калькулятор

V _D [L]	N _R []	P _A [BAR]	9076	.	.	.	.	.	.	.	.	.	. _a [J/kgK]	N _e [rpm]	m _a [kg/s]


Air density, ρ _a [кг/м ³ ] =
Объемный КПД, η _v [%] =

Для любых вопросов, пожалуйста, используйте форму ниже или комментарии относительно этого учебника.

Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться!

6.

2: Двигатели и тепловая эффективность

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 18480

Том Вайдеман
Калифорнийский университет в Дэвисе

Простой двигатель

Циклические процессы позволяют иметь повторяющиеся способы преобразования тепловой энергии, поступающей в газ, в рабочую энергию, выходящую из газа. Мы знаем, что для теплообмена должна существовать разница температур, и правильно спроектированное устройство может работать в цикле, чтобы использовать разницу температур для получения полезной механической энергии. Такое устройство называется тепловая машина . Конечно, для этого требуется циклический процесс, который проходит по часовой стрелке на диаграмме $PV$. Теперь мы рассмотрим простейший вариант двигателя, который образует прямоугольник на своей диаграмме $PV$. Мы будем делать акцент на том, чтобы визуализировать каждый этап цикла как физический процесс, в котором поршень обменивается теплом с тепловым резервуаром и/или взаимодействует с окружающей средой.

Рисунок 6.2.1 – Простой двигатель

Начнем с того, что мы уже знаем о циклах: поскольку термодинамическое состояние возвращается к исходному состоянию, внутренняя энергия не меняется в течение цикла, а это означает, что рабочая энергия, на выходе (равном площади, заключенной в петле) равна тепловой энергии, которая входит.

\[\Delta U = 0\;\;\;\Rightarrow\;\;\; Q_{in} = W_{out} = \left(P_2-P_1\right)\left(V_2-V_1\right) \]

Теперь мы вычислим тепло, переданное во время всех четырех отдельных этапов циклического процесса, чтобы подтвердить этот результат. При этом мы будем включать диаграмму того, что происходит физически.

Рисунок 6.2.2a – Процесс A–B

Этот процесс представляет собой термический абаростатический резервуар, который медленно это чуть теплее, чем газ в двигателе на каждом этапе процесса). Температура газа в процессе повышается, а объем увеличивается, при этом в систему поступает тепло. Количество переданного тепла:

\[Q_{AB} = nC_P\Delta T_{AB} = nC_P\left(\dfrac{P_2\Delta V_{AB}}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_P}{R}P_2 \ right) \ left (v_2-v_1 \ right) \]

Рисунок 6.2.2b-Процесс B-C

Это время, у нас есть. так как давление падает, это должно быть потому, что температура падает. Это может происходить только при неизменном объеме, когда тепло уходит из системы, а так как процесс квазистатический, то температура теплового резервуара на протяжении всего процесса несколько ниже температуры газа. Потеря тепла на этом этапе составляет:

\[Q_{BC} = nC_V\Delta T_{BC} = nC_V\left(\dfrac{\Delta P_{BC}V_2}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_V}{R} V_2 \ справа) \ слева (P_1-P_2 \ Right) \]

Рисунок 6.2.2C-Процесс C-D

9002. Эта треть , на этот раз с падением температуры и объема. Опять же, этот квазистатический процесс требует, чтобы температура резервуара оставалась немного ниже температуры газа. Потери тепла:

\[Q_{CD} = nC_P\Delta T_{CD} = nC_P\left(\dfrac{P_2\Delta V_{CD}}{nR}\right)=\left(\dfrac{C_P}{R} P_1\right)\left(V_1-V_2\right) \]

температура за счет тепла, подведенного из термального резервуара, немного выше температуры газа. Передаваемое тепло равно:

\[Q_{DA} = nC_V\Delta T_{DA} = nC_V\left(\dfrac{\Delta P_{DA}V_1}{nR}\right)=\left(\dfrac{ C_V}{R}V_1\справа)\слева(P_2-P_1\справа) \]

Читателю предлагается в качестве упражнения по алгебре продемонстрировать, что сумма этих четырех теплопередач равна общей теплопередаче, как указано в уравнении 6. 2.1. При выполнении этого упражнения будет полезно помнить, что $C_P = C_V + R$.

Двигатели реального мира

Во время приведенных выше расчетов читателю могло прийти в голову, что постоянно возникало одно неудобное требование — тепловой резервуар всегда должен иметь бесконечно малую величину, отличную от температуры газа в двигателе. Как именно человек совершает такой подвиг? Резервуар становится немного теплее, увеличивая температуру газа до тех пор, пока они не придут к тепловому равновесию, затем резервуар снова становится немного теплее, так что он снова может отдавать небольшое количество тепла газу, и так далее? Этот процесс, очевидно, не может быть разумно сконструирован, и даже если бы это было возможно, тот факт, что скорость теплового потока связана с разницей температур, означает, что он будет мучительно медленным.

В реальном мире у нас обычно есть два термальных резервуара с фиксированными температурами для работы — один с высокой температурой, от которого двигатель получает тепло, и один с низкой температурой, куда двигатель отводит тепло. Обратите внимание, что в приведенном выше простом двигателе газ должен был как получать, так и отдавать тепло, хотя он получил чистое количество тепла, которое он преобразовал в работу. Это оказывается необходимой характеристикой всех двигателей (по причинам, которые мы рассмотрим позже) — двигатель не может просто брать тепло из одного горячего теплового резервуара и преобразовывать его в работу в цикле, не отдавая при этом тепло в другой. , более холодный термальный резервуар. Схема этого общего принципа двигателей показана ниже.

Рис. 6.2.3 – Реальная схема теплового двигателя Во-первых, процесс должен быть циклическим, что означает, что общее изменение внутренней энергии равно нулю, а общее поступающее тепло (тепло, поступающее из более теплого резервуара за вычетом тепла, отводимого в более холодный резервуар) равняется полной работе, которую необходимо совершить. выходит (технически есть еще работа, которая приходит, но эта схема включает только net работают, разделяя «входящее» тепло от «исходящего» по причинам, которые вскоре станут понятны). Мы включили теплоты, обмениваемые с двумя резервуарами, в терминах их абсолютных значений, так что нам не нужно заботиться о условном обозначении подвода/отвода тепла. Ясно, что произведенная работа представляет собой разность общей тепловой энергии, поступающей из горячего резервуара, за вычетом общей тепловой энергии, отводимой в холодный тепловой резервуар.

Тепловая эффективность

Это правда, что в реальном мире когда мы берем тепло из одного резервуара и отдаем его в другой, более холодный, мы делаем два резервуара немного ближе по температуре. В идеале мы хотели бы избежать «траты впустую» любой из этой исходящей тепловой энергии, которая не делает ничего, кроме повышения температуры более холодного резервуара, а вместо этого просто преобразовать всю тепловую энергию, поступающую из горячего резервуара, непосредственно в работу. Достижение этой цели означало бы создание «совершенно эффективного двигателя», и мы бы сказали, что он имеет тепловой КПД 100%. Таким образом, определение процентной эффективности любого двигателя довольно очевидно — просто возьмите отношение извлекаемой работы к подведенному теплу:

\[ e = \dfrac{W_{net}}{Q_H} = \dfrac{\left|Q_H \right|-\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|} = 1 — \dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|}\]

Должно следует отметить, что «извлеченная работа» — это чистая работа — работа, которая выходит в течение полного цикла, за вычетом вложенной работы (т. е. это площадь внутри замкнутого контура на PV-диаграмме по часовой стрелке). Заметьте также, что для этого двигателя температура не просто немного выше температуры газа в двигателе, и на самом деле сила, вызванная давлением газа, ненамного больше, чем внешняя сила, когда совершается работа. Таким образом, ни один из этих процессов не является квазистатическим. Но, как мы видели, это не помешает нам эффективно использовать модели квазистатических процессов.

Позже мы увидим, что двигатели максимально эффективны, когда процессы, за которыми они следуют, являются обратимыми, но, конечно, для некоторых процессов это требует, чтобы задействованный тепловой резервуар изменял свою температуру, чтобы оставаться бесконечно мало больше или меньше, чем температура двигателя. Это противоречит самому понятию «теплового резервуара», поэтому ясно, что реальный КПД двигателя будет хуже, чем у реверсивных двигателей, которые мы можем использовать для их моделирования. Тем не менее, мы можем использовать отношение общей работы к общему теплу для обратимой модели, чтобы вычислить максимально возможный КПД для моделируемого двигателя.

Пример $\PageIndex{1}$

В циклическом процессе для двигателя, показанного ниже, процесс от A до B увеличивает давление втрое, процесс от B до C является адиабатическим, а рабочий газ в двигатель одноатомный. Вычислите максимальный тепловой КПД этого двигателя.

Раствор

Обозначим объем газа на изохорном участке ($A\стрелка вправо B$) $V_o$. Мы можем использовать адиабатический процесс, чтобы связать объем, занимаемый газом в точке С, с $V_o$: 9{\ frac {3} {5}}V_o \right)\right] = -0,933P_oV_o \end{массив}\right\}\;\;\;\Rightarrow\;\;\; W_{net}=W_1+W_2 = 0,667P_oV_o\номер\]

Тепло уходит из системы во время изобарического процесса, а во время адиабатического процесса тепло не обменивается, поэтому все тепло, поступающее в двигатель, поступает во время изохорного процесса, и это легко вычислить для одноатомного идеального газа:

\[Q_{in} = \frac{3}{2}\Delta P V = 3P_oV_o \nonnumber\]

Эффективность определяется отношением чистой работы к теплу:

\[e = \dfrac{W_{net}}{Q_{in}} = \dfrac{0,667P_oV_o}{3P_oV_o} = 22,2\% \nonumber\]

Цикл Отто

Наш самый узнаваемый тип двигателя — это двигатель внутреннего сгорания, а наиболее распространенный циклический процесс, которому они следуют, называется Цикл Отто .

Предупреждение

В дальнейшем, когда слово «газ» относится к газу внутри поршня, который в основном представляет собой воздух. Говоря о бензине (наиболее распространенном топливе для сжигания топлива), мы будем называть его в этой длинной форме — мы не будем использовать сокращенную версию «газ».0809

Мы начнем с того, что построим диаграмму $PV$, которая аппроксимирует процесс, а затем объясним каждую часть цикла.

Figure 6.2.4 – The Otto Cycle

process A-B (adiabatic compression)

Gasoline (or other combustible) vapor enters the chamber and mixes with air при прохладной (окружающей) температуре, когда над смесью совершается работа по ее сжатию. Это происходит очень быстро, так что газ не успевает обмениваться теплом с окружающей средой, что и побуждает рассматривать этот процесс как адиабатический.

процесс B-C (изохорный нагрев)

Бензин воспламеняется, что приводит к быстрому изменению температуры газа внутри поршня. Технически тепло поступает не снаружи двигателя, а скорее в результате экзотермического химического процесса, но это одно и то же. Это воспламенение происходит очень внезапно, прежде чем газ успеет расширить поршень, поэтому мы рассматриваем этот процесс как изохорный.

процесс C-D (адиабатическое расширение)

Нагретый газ теперь находится под очень высоким давлением, и это давление расширяет поршень, совершая работу. Опять же, скорость этого процесса настолько велика, что очень мало тепла успевает выйти из поршня, когда он происходит, поэтому мы рассматриваем этот процесс как адиабатический.

процесс D-A (изохорное охлаждение)

После полного расширения охлажденный, но еще более горячий, чем окружающая среда газ выбрасывается из двигателя, и в камеру поступает новая порция воздуха и паров бензина. Технически газ не «охлаждается изохорически», но это равносильно тому, что камера вскоре заполняется новым газом с более низкой температурой и тем же объемом.

Этот пример показывает, как мы можем использовать то, что мы узнали о термодинамических процессах, для анализа реальных ситуаций, даже если наше понимание основано на идеальных ситуациях, которых не существует в реальном мире. Мы просто смотрим на особенности реального процесса и максимально приближаем его к квазистатическому процессу. Во время этого процесса «сопоставления» мы заботимся о том, чтобы конечные точки совпадали правильно (поскольку это состояния равновесия) и чтобы тепло/работа, передаваемые во время процесса, имели смысл. В приведенном выше примере это состояло в том, чтобы спросить, произошел ли процесс быстро (нет времени для отвода тепла) или не изменился ли объем (нет выполненной работы). Вскоре мы снова увидим другую форму этого сопоставления.

Давайте посмотрим на эффективность этого цикла. Имейте в виду, что наша идеализированная версия будет более эффективной, чем то, что мы можем достичь в реальном мире, но это дает нам верхний предел того, на что мы можем надеяться. Чтобы получить КПД, нам нужно тепло, отдаваемое горячим резервуаром, и тепло, забираемое холодным резервуаром. В этом цикле теплообмен происходит только во время процессов B-C и DA, которые оба являются изохорными, поэтому теплообмен пропорционален изменениям температуры. Таким образом, эффективность определяется выражением:

\[e = 1 — \dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|} = 1 — \dfrac{nC_V\left(T_D — T_A\right)}{nC_V\left( T_C — T_B\right)} = 1 — \dfrac{\left(T_D — T_A\right)}{\left(T_C — T_B\right)} \]

Из этого результата должно быть ясно, что двигатель работает больше эффективно, когда разница температур между двумя тепловыми резервуарами больше. В данном случае это разница между температурой впрыскиваемого газа и воспламененного газа. Из диаграммы должно быть ясно, что эта разница может быть измерена как разность (или, правильнее сказать, отношение) двух объемов, занимаемых газом. С практической точки зрения, газ нельзя сжать до минимального объема, прежде чем воспламенить его, потому что повышение температуры из-за сжатия само по себе может самопроизвольно воспламенить газ. Топливо с более высоким октановым числом обеспечивает большую степень сжатия без нежелательного самовоспламенения, что повышает эффективность.

Как мы можем сделать вывод из вышеизложенного, КПД этого двигателя можно переписать в терминах переменной, которую нам легче измерить, чем температуры, а именно свойства самого двигателя. Два из четырех процессов являются изохорными, что означает, что объем изменяется только дважды в течение всего цикла, что означает, что нам нужно беспокоиться только о двух объемах — максимальном и минимальном. Максимум возникает при полном расширении поршня, а минимум при его полном сжатии. Нас даже не волнует, каковы эти значения, когда дело доходит до эффективности, а все, что нас волнует, это 9{1-\gamma}\]

Цикл Дизеля

Небольшим изменением цикла Отто можно несколько повысить КПД. Это изменение заключается в управлении процессом воспламенения таким образом, чтобы он происходил при постоянном давлении, а не при постоянном объеме. В этой конструкции двигателя используется так называемый дизельный цикл . Это, конечно, означает, что воспламенение должно происходить менее «взрывно», что снижает скорость, с которой может произойти цикл, и мы знаем из Физики 9А, что скорость, с которой производится работа, является мощностью цикла, поэтому, хотя это цикл получается более эффективным, он обеспечивает меньшую мощность.

Чтобы определить разницу в КПД, нужно только изменить знаменатель уравнения 6.2.7, учитывающего процесс воспламенения (с B на C). Вместо того, чтобы происходить при постоянном объеме, это происходит при постоянном давлении, что просто изменяет $C_V$ на $C_P$, что дает:

\[e = 1-\dfrac{C_V\left(T_D-T_A\ right)}{C_P\left(T_C-T_B\right)}=1-\dfrac{1}{\gamma}\;\dfrac{T_D-T_A}{T_C-T_B}\]

Член, который вычитается из эффективность снижается на гамма-фактор, что приводит к более высокой эффективности. Кроме того, возможны более высокие степени сжатия, поскольку воздух сжимается без топлива (топливо добавляется постепенно, используя топливных форсунок в процессе воспламенения, поддерживая постоянное давление), устраняя проблему воспламенения топлива при сжатии. Конечно, хотя много лет назад этот процесс применялся исключительно для дизельных двигателей, в настоящее время впрыск топлива и сопровождающая его более высокая степень сжатия являются стандартом для автомобилей, работающих на бензине.

Цикл Карно

Мы смогли искусно описать циклы Отто и Дизеля в терминах 4 квазистатических процессов, рассматривая воспламенение газа так, как если бы тепло добавлялось, а не возникало в результате химической реакции, и рассматривая замещение газа, как будто выделяется тепло. Без этих приемов сохранение квазистатических процессов сделало бы их очень медленными и не могло бы происходить между резервуарами с двумя фиксированными температурами, как показано на рис. чтобы и изохорический, и изобарический процессы происходили квазистатически, температура резервуара должна изменяться таким образом, чтобы она лишь бесконечно мало отличалась от температуры газа. Мы не можем получить что-то даром, и на самом деле процессы воспламенения и замещения газа необратимы, что делает эти процессы лишь приблизительно квазистатическими циклами, которые мы объявили.

Из этого анализа мы видим, что проблема с включением изохорных и изобарических процессов в «реальный» случай двигателя, вынужденного работать между двумя резервуарами с фиксированными температурами, заключается в том, что мы не можем сделать эти процессы обратимыми. Но даже при этом фиксированном температурном ограничении резервуаров есть два процесса, которые мы можем (в принципе) выполнять квазистатически. Адиабатический процесс вообще не включает теплопередачу, поэтому относительная температура двигателя и резервуара не имеет значения. Изотермический процесс оставляет температуру двигателя неизменной, поэтому, если она равна температуре резервуара, проблем не возникает.

В обсуждении, последовавшем за уравнением 5.8.20, мы отметили, что в любой данной точке на PV-диаграмме газа адиабата, проходящая через эту точку, круче, чем изотерма, которая также проходит через нее. Из-за этого мы можем создать циклический процесс, в котором используются два изотермических процесса (один вверху, один внизу диаграммы PV) и два адиабатических процесса (по одному на каждой стороне диаграммы PV), и этот цикл может быть приводимый в движение двумя резервуарами с фиксированной температурой. Это известно как Цикл Карно .

Рисунок 6.2.5 – Цикл Карно Отметив, что теплота не передается во время двух адиабатических процессов, и используя уравнение 5.8.16 для теплоты, передаваемой во время двух изотермических процессов, мы имеем:

\[ \left. \begin{массив}{l} \left|Q_H\right| = W_{out} = nRT_H\ln\left[\dfrac{V_B}{V_A}\right] \\ \left|Q_C\right| = -W_{in} = -nRT_C\ln\left[\dfrac{V_D}{V_C}\right]=nRT_C\ln\left[\dfrac{V_C}{V_D}\right] \\ e = 1 — \ dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|} \end{массив} \right\} \;\;\;\Rightarrow\;\;\; e = 1-\dfrac{T_C}{T_H}\dfrac{\ln\left[\dfrac{V_C}{V_D}\right]}{\ln\left[\dfrac{V_B}{V_A}\right]} \] 9{\gamma-1} \end{массив} \right\} \;\;\;\Rightarrow\;\;\; \dfrac{V_B}{V_A} = \dfrac{V_C}{V_D}\]

Подстановка их выше приводит к сокращению логарифмов в числителе и знаменателе, что делает эффективность цикла Карно простой функцией температур два резервуара:

\[e=1-\dfrac{T_C}{T_H} \]

Чем больше разница температур между двумя резервуарами, тем выше КПД двигателя Карно.

Холодильники

Одна вещь, которую мы постоянно видели в нашем обсуждении двигателей, это то, что циклы на диаграмме PV идут по часовой стрелке. Это гарантирует, что после полного цикла работы из системы выйдет из , а тепла из из . Что произойдет, если мы запустим цикл в обратном порядке? Затем идет работа и уходит тепло. Это основа холодильника . Естественно, это не значит, что мы можем взять двигатель внутреннего сгорания, включить его «задним ходом», и он превратится в кондиционер. Во-первых, мы не можем «не воспламенить» газ. Но мы можем осуществлять процессы в обратном направлении другими средствами. Во-первых, давайте посмотрим на схему холодильника, как мы сделали это для тепловой машины:

Рисунок 6.2.6 – Реальная схема холодильника состоит в том, чтобы отвести как можно больше тепла от холодного резервуара, совершая при этом как можно меньше работы. Поэтому мы определяем коэффициент полезного действия как отношение отводимой теплоты к необходимой работе:

\[K=\dfrac{\left|Q_C\right|}{W}=\dfrac{\left|Q_C\right|}{\left|Q_H\right|-\left|Q_C\right|}\ ]

Чрезвычайно упрощенный способ представить себе, как работает холодильник, таков: мы знаем, что если мы очень резко сожмем газ, он станет намного горячее (см. пример в самом конце раздела 5.8). Неудивительно, что верно и обратное: резкое расширение поршня газом приводит к сильному охлаждению газа. Предположим, мы хотим, чтобы внутри холодильника было холоднее, чем снаружи (да, это определение холодильника!). Начните с газа в поршне вне холодильника, сожмите его до небольшого объема и подождите сжатым, пока он не достигнет температуры наружного воздуха. Затем резко отпустите поршень и быстро отнесите его в холодильник. Если мы сожмем его достаточно, изменение температуры газа в поршне сделает его температуру ниже температуры внутри холодильника. Подождем немного, пока внутренняя часть холодильника отдает тепло холодному воздуху в поршне, тем самым охлаждая воздух внутри холодильника. Когда они достигают равновесия, мы выносим поршень наружу и повторяем процесс. Это транспортирует тепловую энергию из холодильника.

Работа, совершаемая газом при сжатии, превышает работу, совершаемую газом при расширении (т.е. необходимо приложить чистую работу). Процессы сжатия и расширения являются адиабатическими, а процессы «ожидания» — изохорными, что дает диаграмму PV, которая выглядит примерно так:

Очевидно, мы пожертвовали реальностью ради этого понятного «холодильника». Очевидно, что нам не нужно транспортировать поршень в охлаждаемую камеру и из нее, и вместо этого мы можем подавать газ в нее и из нее, сжимая его на выходе и расширяя на входе. Но есть еще довольно большая проблема с этой конструкцией. Для того чтобы тепло передавалось в нужных направлениях в нужные моменты времени, нам нужно, чтобы температура газа после его охлаждения от расширения была ниже температуры окружающей среды в холодильнике. PV температуры внутри и снаружи холодильников более или менее соответствуют температурам состояний B и D соответственно. Это означает, что если мы проводим изотермы через точки B и D , то разрыв между этими изотермами представляет собой максимальный температурный разрыв, который мы можем поддерживать между горячей и холодной областями. Очевидно, это зависит от разницы давлений, которую мы можем создать между сжатым газом и расширенным газом, но с практической точки зрения это является существенным препятствием.

Это ограничение можно преодолеть, перенеся большую часть тепловой энергии в фазу хладагента. Мы знаем, что мы можем менять фазы, комбинируя сжатие/расширение и нагрев/охлаждение жидкости, а скрытая теплота парообразования значительна по сравнению с удельной теплоемкостью при небольшом изменении температуры. Это приводит к следующему основному процессу:

компрессор превращает хладагент в жидкую фазу, которая нагревает его выше температуры наружного воздуха
затем жидкость поступает в змеевик конденсатора , целью которого является увеличение площади контакта с наружным воздухом, ускорение процесса сброса тепла
к тому времени, когда жидкость прошла через змеевик конденсатора, она находится под высоким давлением, но пришла в тепловое равновесие с наружным воздухом, и затем она проходит в расширительный клапан , где она адиабатически расширяется, изменяя фазу назад к газу и значительному падению температуры ниже температуры внутреннего воздуха
затем газ проходит через змеевик испарителя , что увеличивает скорость, с которой тепло может попасть в хладагент из внутреннего воздуха, и в конце змеевика испарителя он снова поступает в компрессор, чтобы снова запустить цикл.

Эта страница под названием 6.2: Двигатели и тепловая эффективность распространяется под лицензией CC BY-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Томом Вайдеманом непосредственно на платформе LibreTexts.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или страница
Автор
Том Вайдеман
Лицензия
CC BY-SA
Версия лицензии
4,0
Показать оглавление
нет
Теги
1. тепловая машина
2. источник@родной
3. Тепловая эффективность

МАССОВЫЙ ПОТОК ВОЗДУХА), EPI Inc.

ЧТО
NEW
HERE ?EPI
Products
and Services

Technical Articles and Product Descriptions

Mechanical Engineering FundamentalsPiston
Engine
TechnologyEPI
Engine
ProjectsAircraft
Engine
ConversionsDetailed
Gearbox TechnologyEPI
Gearbox
ProjectsAircraft
Propeller
TechnologySpecial
Purpose
SystemsRotorWay
Вертолет
Проблемы

Справочные материалы

EPI
Справочник
Руководства LibraryEPI
и
ПубликацииНекоторые публикации
Интересное
Ссылки

Дополнительные продукты

Материалы
На продажу
(иногда)

Журнал Race Engine Technology

ВВЕДЕНИЕ в Race Engine Technology ПОДПИСАТЬСЯ
на Race Engine TechnologyДОСТУПНО
НАЗАД
ВЫПУСКИ

Последнее обновление: 25 февраля 2019 г.

ПРИМЕЧАНИЕ. Все наши продукты, конструкции и услуги являются УСТОЙЧИВЫМИ, ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗГЛЮТЕНОВЫМИ, НЕ СОДЕРЖАТ ГМО и не будут

В четырехтактном безнаддувном двигателе теоретический максимальный объем воздуха, который каждый цилиндр может проглотить во время цикла впуска, равен рабочему объему этого цилиндра (0,7854 x диаметр отверстия х диаметр отверстия х ход поршня).

Поскольку каждый цилиндр совершает один такт впуска за каждые два оборота коленчатого вала, то теоретически максимальный объем воздуха, который он может всосать за каждый оборот коленчатого вала, равен половине его рабочего объема. Фактический объем воздуха, потребляемого двигателем, по сравнению с теоретическим максимальным объемом называется объемной эффективностью (VE). Двигатель, работающий на 100% VE, потребляет свой полный рабочий объем каждые два оборота коленчатого вала.

Существует несколько факторов, определяющих крутящий момент, который может создать двигатель, и число оборотов в минуту, при котором возникает максимальный крутящий момент. Однако основным определяющим фактором является МАССА воздуха (а не объем), который двигатель может нагнетать в цилиндры. МАССА вдыхаемого воздуха прямо пропорциональна (а) плотности воздуха и (б) объемной эффективности .

Существует удивительное сходство формы между кривой VE двигателя и кривой его крутящего момента. Для современного безнаддувного двигателя с двумя клапанами на цилиндр и двигателем с толкателем VE более 95% — это отлично, а 100% — достижимо, но довольно сложно. Только лучшие из лучших могут достичь 110%, и это благодаря чрезвычайно специализированной разработке сложной системы, состоящей из впускных каналов, камер сгорания, выпускных каналов и компонентов системы клапанов. Практический предел для двигателей без наддува, обычно с компоновкой DOHC с четырьмя или более клапанами на цилиндр, составляет около 115%, что может быть достигнуто только в самых сложных условиях с точной настройкой впускных и выпускных каналов.

Как правило, число оборотов в минуту при пиковом значении VE совпадает с числом оборотов в минуту при пиковом крутящем моменте. И вообще автомобильные двигатели редко превышают 90% VE. Для такой производительности существует множество веских причин, в том числе требования к конструкции автомобильных двигателей (хороший крутящий момент на низких оборотах, хорошая приемистость, большой пробег, низкий уровень выбросов, низкий уровень шума, низкие производственные затраты, ограничительные форм-факторы и т. д.). а также экономически обоснованные допуски для компонентов при крупносерийном производстве.

ПРИМЕЧАНИЕ: ВСЕ СЛЕДУЮЩИЕ РАСЧЕТЫ ОСНОВАНЫ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ БЕНЗИНА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА. ОЦЕНКИ, ОСНОВАННЫЕ НА ДРУГОМ ТОПЛИВЕ, ТРЕБУЮТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАИМЕНЬШЕЙ ТЕПЛООТДАЧИ, BSFC, И НАИЛУЧШЕГО СООТНОШЕНИЯ ВОЗДУХ-ТОПЛИВО ПО МОЩНОСТИ, ПОДХОДЯЩИХ ДЛЯ ВЫБРАННОГО ТОПЛИВА.

Теперь расчеты.

При известном рабочем объеме двигателя и числе оборотов можно рассчитать воздушный поток двигателя при 100 % VE в стандартных днях на уровне моря в кубических футах в минуту (куб. футов в минуту) следующим образом:

100 % VE ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК (куб. (ки) х об/мин / 3456

(Уравнение 3)

(Для любознательных: «3456» — это произведение 1728, количества кубических дюймов в кубическом футе, и 2, количества оборотов, которое требуется четырехтактному двигателю для заполнения и опорожнить все его цилиндры.)

Использование этого уравнения для оценки двигателя объемом 540 кубических дюймов, работающего при 2700 об/мин, показывает, что при 100% VE двигатель будет расходовать 422 станд. куб. футов в минуту.

Мы уже показали (см. уравнения 1 и 2 в разделе «Тепловой КПД»), как рассчитать расход топлива, необходимый для заданного количества произведенной энергии. Как только вы узнаете требуемый расход топлива, вы можете рассчитать массовый расход воздуха, необходимый для этого количества топлива, а затем, используя этот расчетный расход воздуха вместе с рабочим объемом двигателя, целевыми рабочими оборотами и достижимыми значениями VE, вы можете быстро определить разумность. ваших ожиданий. Вот как.

Зная требуемый расход топлива, можно определить требуемый расход воздуха. Общепризнанно (и доказуемо), что данный двигатель (разумной конструкции) достигает наибольшей мощности при концентрации смеси примерно 12,6 частей воздуха на одну часть топлива (бензина) по весу . (Другие виды топлива имеют другие значения максимальной мощности смеси. Метанол, например, где-то около 5,0 к 1.) требуется:

МАССОВЫЙ РАСХОД ВОЗДУХА (pph) = 12,6 (фунтов на фунт) x РАСХОД ТОПЛИВА (pph)

(Уравнение 4)

Но расход воздуха обычно обсуждается в терминах объемного расхода (стандартные кубические футы в минуту, SCFM). Один кубический фут воздуха при стандартных атмосферных условиях (29,92 дюйма абсолютного давления ртутного столба, 59°F
температура) весит 0,0765 фунта. Таким образом, разделив потребность в массовом расходе воздуха на стандартную дневную плотность воздуха и разделив на 60, чтобы перевести часы в минуты, требуемый объемный расход воздуха составит:

ВОЗДУШНЫЙ РАСХОД (куб. футов в минуту) = 12,6 (ppp) x РАСХОД ТОПЛИВА (pph) / (60 минут в час x 0,0765 фунта на кубический фут)

(уравнение 5) можно комбинировать следующим образом:

12,6 ÷ (60 x 0,0765) = 2,745

Объединение этих констант позволяет сократить уравнение 5 до:

(уравнение 6)

Решение уравнения 2 (поясняется в разделе «Тепловой КПД») для ПОТОКА ТОПЛИВА дает

РАСХОД ТОПЛИВА (pph) = HP x BSFC. 2,745 x л.с. x BSFC

(уравнение 7)

Таким образом, используя разумный расчетный BSFC и разумное соотношение воздуха и топлива для максимальной мощности, вы можете использовать уравнение 7 для оценки воздушного потока, необходимого для данного количества лошадиных сил, и с помощью уравнения 3 вы можете рассчитать воздушный поток вашего двигателя при заданных оборотах, если он работал на 100% VE..

Если вы разделите ТРЕБУЕМЫЙ ПОТОК ВОЗДУХА на ПОТОК ВОЗДУХА ПРИ 100% VE , вы получите VE, который потребуется для данной выходной мощности.

Чтобы получить уравнение, вычисляющее ТРЕБУЕМОЕ VE , мы делим Уравнение 7 на Уравнение 3, которое дает Уравнение 8 об/мин)

(Уравнение 8)

(Опять же, для тех, кто интересуется тайнами алгебры 8-го класса, «9487» является произведением 3456 из уравнения 3 и 2,745 из уравнения 6.)

Уравнение 8 позволяет вам оценить обоснованность любого заявленного уровня мощности двигателя, зная четыре значения:

Рабочие об/мин,

Объем двигателя (куб. дюйм),

Предполагаемый разумный BSFC (разумное значение для целей оценки — 0,46).

Вот пример того, насколько полезной может быть эта связь. Предположим, вы решили, что из определенного двигателя объемом 2,2 литра (134 кубических дюйма) можно сделать отличную силовую установку для самолета. Вы решаете, что 300 л.с. — это хорошее число, а 5200 об/мин обеспечивают приемлемую среднюю скорость поршня (объяснение ЗДЕСЬ). Насколько разумна ваша цель?

Требуемый VE для этого двигателя будет:

Требуемый VE = (9487 x 300 x 0,46 ) / (134 x 5200 ) = 1,879 (188 %)

Очевидно, что это не произойдет с двигателем без наддува. двигатель. Потребуется наддув в той или иной форме, и вы можете использовать требуемое значение VE 188% для расчета необходимого минимального абсолютного давления в коллекторе (MAP) приблизительного .

В этом примере воздушный поток двигателя должен быть увеличен до 188 % от предполагаемого значения 100 % VE. Расход воздуха пропорционален квадратному корню из перепада давления, поэтому для удвоения расхода воздуха требуется в 4 раза больше перепада давления. Следовательно, приблизительное значение MAP, необходимое для увеличения воздушного потока в 1,88 раза, будет (1,88 в квадрате) x 290,92, или 106 дюймов MAP (75,8 дюйма «наддува») для этого уровня мощности.

Вот еще один пример. Предположим, вы хотите получить 300 л. известных значений в уравнении 7 дает:

Требуемый VE = (9487 x 300 x 0,46) / (540 x 2700) = 0,898 (90 %)

Это очень разумное, реальное число (если вы признал, что эти цифры относятся к 300-сильному Lycoming IO-540, о котором говорилось выше, молодец.)

Абсолютное давление в коллекторе (MAP)

Мы упоминали этот термин (MAP) в предыдущем обсуждении, и он регулярно используется при обсуждении характеристик двигателя, но на случай, если он вам незнаком, вот пояснение.

Во-первых, термин Абсолютное давление означает давление выше нуля (идеальный вакуум). Окружающее атмосферное давление на уровне моря в «стандартный день» составляет приблизительно 14,696 фунтов на квадратный дюйм в абсолютном выражении (или 29,92 дюйма ртутного столба, «HG, поясняется ниже)».0003

Абсолютное давление во впускном коллекторе — это именно то, что он говорит: абсолютное давление, существующее во впускном коллекторе, обычно измеряемое в вентиляционной камере (если она существует). ПДД в неработающем двигателе равно атмосферному давлению. Если в «стандартный день» двигатель работает на холостом ходу при измеренном «вакууме» в коллекторе 14 дюймов, , MAP фактически составляет 15,92 дюйма ртутного столба (29,92 — 14 = 15,92).

Термин «дюймы ртутного столба» «, используемый для выражения давления, может немного сбивать с толку. Одной из распространенных единиц измерения атмосферного давления, атмосферного давления и других точных измерений давления являются «дюймы ртутного столба». Ртуть — это тяжелый металл, который находится в жидком состоянии под условия стандартной температуры и давления. Ртуть обычно используется в манометрах и барометрах (специальное применение манометра) из-за его высокой плотности и его текучести. Вспоминая из средней школы химии, «HG» является химическим символом для элемента Меркурий, происходит от греческого слова H YDRAR G ERIUM , буквально серебряная вода .

В ртутном барометре расстояние по вертикали между двумя манисками на уровне моря в стандартных условиях составляет 29,92 дюйма, отсюда термин дюймов ртутного столба, «HG «, или для ленивых, всего дюймов

<< Вернуться к: Содержание Перейти к началу страницы ↑ Следующая тема: BMEP >>

Измерение тепловой эффективности с использованием принципа Карно

Благодаря работе инженера 19-го века по имени Сади Карно, вы можете применить закон сохранения энергии для измерения теплового КПД двигателя.

Зная количество работы, которую выполняет тепловая машина, и ее КПД, вы можете рассчитать, сколько теплоты поступает и сколько выходит (вместе с небольшой помощью закона сохранения энергии, который связывает работу, теплоту и теплоту). вышли вместе). Но почему бы не создать тепловые двигатели со 100-процентным КПД? Было бы неплохо преобразовать все тепло, которое уходит в тепловую машину, в работу, но в реальном мире так не бывает. Тепловые двигатели имеют некоторые неизбежные потери, например, из-за трения о поршни в паровой машине.

Изучая эту проблему, Карно пришел к выводу, что лучшее, что вы можете сделать эффективно, — это использовать двигатель, в котором таких потерь нет. Если в двигателе нет потерь, система вернется в состояние, в котором она находилась до начала процесса. Это называется обратимым процессом . Например, если тепловая машина теряет энергию на преодоление трения, в ней нет обратимого процесса, потому что она не приходит в то же состояние, когда процесс завершен. У вас есть наиболее эффективный тепловой двигатель, когда двигатель работает реверсивно.

Принцип Карно гласит, что ни один нереверсивный двигатель не может быть таким же эффективным, как реверсивный, и что все реверсивные двигатели, работающие при одних и тех же температурах, имеют одинаковую эффективность. Вот в чем фишка: идеально обратимого двигателя не существует, поэтому Карно придумал идеальный.

В двигателе Карно , тепло, поступающее от источника тепла, подводится при постоянной температуре T _h . При этом отводимое тепло уходит в радиатор, который имеет постоянную температуру T _c . Так как источник тепла и радиатор всегда имеют одинаковую температуру, можно сказать, что отношение отданного и отведенного тепла равно отношению этих температур (выражено в кельвинах):

А поскольку КПД тепловой машины равен

КПД двигателя Карно равен

Это уравнение представляет максимально возможный КПД тепловой машины. Вы не можете сделать ничего лучше этого. И, как гласит третий закон термодинамики, вы не можете достичь абсолютного нуля; следовательно, T _c никогда не равно 0, поэтому эффективность всегда равна 1 минус некоторое число. У вас никогда не будет теплового двигателя со 100-процентным КПД.

Применение уравнения для максимально возможной эффективности

легко. Например, скажем, вы придумали потрясающее новое изобретение: двигатель Карно, использующий воздушный шар для соединения земли (27 градусов по Цельсию) в качестве источника тепла с воздухом на высоте 33 000 футов (около -25 градусов по Цельсию). использовать в качестве теплоотвода. Какой максимальный КПД вы можете получить для своего теплового двигателя? После преобразования температуры в кельвины подстановка чисел дает

Ваш двигатель Карно может иметь КПД не более 17,3% — не слишком впечатляюще. С другой стороны, предположим, что вы можете использовать поверхность Солнца (около 5800 кельвинов) в качестве источника тепла и межзвездное пространство (около 3,40 кельвина) в качестве поглотителя тепла (из чего состоят научно-фантастические рассказы). У вас была бы совсем другая история:

Вы получаете теоретический КПД вашего двигателя Карно — 99,9 процента.

Вот еще один пример. Вы на Гавайях, берете заслуженный отпуск с другими трудолюбивыми физиками. Лето было жарким, и, отдыхая на пляже, вы читаете статью об энергетическом кризисе, вызванном всеми этими жужжащими кондиционерами. Вы откладываете газету, когда счастливые физики, качающиеся в прибое, зовут вас, говоря, что вы должны зайти окунуться.

«Насколько тепло?» ты спрашиваешь.

«Очень», говорят они, подпрыгивая. «Около 300 кельвинов».

Хм, вы думаете. Если бы вы могли создать двигатель Карно и использовать поверхность океана в качестве источника тепла (300 кельвинов) и дно океана (около 7 градусов Цельсия или 280 кельвинов) в качестве поглотителя тепла, какова была бы эффективность такого двигателя? двигатель быть? И сколько входного тепла вам потребуется для обеспечения всех энергетических потребностей США в течение одного года

математика, чтобы найти эффективность:

Хм, эффективность 6,7%. Итак, сколько потребуется теплоты, чтобы получить

Вы знаете, что КПД = Вт / Q _ч , поэтому

Подстановка чисел и выполнение математических действий дает

Насколько изменится температура Тихого океана, если убрать это тепло из верхнего метра? Предположим, что верхний метр Тихого океана содержит около

Полученное или потерянное тепло связано с изменением температуры на

, поэтому изменение температуры будет

Подставляя числа и выполняя математические действия, вы получаете изменение температуры на

Таким образом, если бы ваш двигатель Карно был соединен с верхней части Тихого океана со дном и высасывал все его тепло из верхнего метра поверхностной воды, он понизил бы температуру этого верхнего метра воды на 4,5 градуса Цельсия до обеспечить все энергетические потребности Соединенных Штатов в течение одного года.

Тепловая эффективность цикла Отто | Уравнение

Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД от 25% до 30% . Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.

Когда мы перепишем выражение для теплового КПД с использованием степени сжатия, мы придем к выводу, что воздушный стандартный цикл Отто тепловой КПД является функцией степени сжатия и κ = c _p /c _v .

Термическая эффективность для Otto Cycle

В целом, Термическая эффективность , η _TH , любой тепловой двигатель определяется в соответствии с работой. , к подводу тепла при высокой температуре, Q _H .

Тепловая эффективность , η _th , представляет долю тепла , Q _H , преобразованного в работу . Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q _H должна равняться выполненной работе, Вт плюс теплота, которая должна быть рассеяна в виде отработанной теплоты. Q _C в окружающую среду. Поэтому мы можем переписать формулу для теплового КПД как:

Поглощение тепла происходит при сгорании топливно-воздушной смеси, когда возникает искра, примерно при постоянном объеме. Поскольку во время изохорного процесса система не совершает никакой работы, первый закон термодинамики диктует ∆U = ∆Q. Следовательно, добавление и отклонение тепла приведено:

Q _{Добавить} = MC _V (T ₃ — T ₂)

Q _OUT = MC _V

Q = MC _V

Q _{.0207 (T ₄ – T ₁ )}

Подставив эти выражения для подводимого и отводимого тепла в выражение для теплового КПД, получаем:

Мы можем упростить приведенное выше выражение, используя тот факт, что процессы → 2 и из 3 → 4 являются адиабатическими, и для адиабатического процесса справедлива следующая формула p,V,T:

Отсюда можно вывести, что:Коэффициент 0021 V ₁ /V ₂ известен как коэффициент сжатия , CR . Когда мы перепишем выражение для теплового КПД с использованием степени сжатия, мы придем к выводу, что тепловой КПД по воздушному циклу Отто является функцией степени сжатия и κ = c _p /c _в .

Тепловой КПД для цикла Отто – κ = 1,4

Это очень полезный вывод, поскольку желательно достичь высокая степень сжатия для извлечения большего количества механической энергии из заданной массы воздушно-топливной смеси. Более высокая степень сжатия позволяет достичь той же температуры сгорания с меньшим количеством топлива, обеспечивая при этом более длительный цикл расширения. Это создает большую выходную механическую мощность и снижает температуру выхлопных газов . Снижение температуры выхлопных газов приводит к снижению энергии, выбрасываемой в атмосферу. Это соотношение показано на рисунке для κ = 1,4, представляющего окружающий воздух.

КПД двигателей на транспорте

В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловой КПД около 6% . Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля производилось 6 МДж механической энергии.
Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД примерно от 25% до 30% . Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.
Типичный дизельный автомобильный двигатель работает при от 30% до 35% . В общем, двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы-1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По данным Mercedes, их силовой агрегат в настоящее время достигает более чем на 45% и близкого к 50% термического КПД, т. е. 45 – 50% потенциальной энергии топлива передается на колеса.
Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех существующих двигателей внутреннего сгорания. Тихоходные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% . Самый большой дизельный двигатель в мире достигает 51,7%.

Степень сжатия – двигатель Отто

Степень сжатия , CR определяется как отношение объема в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке. Это ключевая характеристика многих двигателей внутреннего сгорания. В следующем разделе будет показано, что степень сжатия определяет тепловой КПД используемого термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания. Желательно иметь высокую степень сжатия, потому что это позволяет двигателю достигать более высокой тепловой эффективности.

Например, пусть цикл Отто со степенью сжатия CR = 10 : 1. Объем камеры составляет 500 см³ = 500×10 ^-6 м ³ (0,5 л) перед тактом сжатия. Для этого двигателя известны все требуемые объемы:

V ₁ = V ₄ = V _MAX = 500 × 10 ^-6 M ³ (0,5 л)
V ₂ = V ₃ = V
29206 =
=
= _{. V _max / CR = 55,56 × 10 ^-6 м ³}

Обратите внимание, что (V _max – V _min ) x количество цилиндров = общий объем двигателя.

Примеры степеней сжатия – бензин по сравнению с дизельным двигателем

Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не превышает 10:1 из-за возможной детонации двигателя (самозажигание) и не ниже 6:1 .
Subaru Impreza WRX с турбонаддувом имеет степень сжатия 8,0:1 . Как правило, двигатели с турбонаддувом или наддувом уже имеют сжатый воздух на впуске воздуха. Поэтому они обычно строятся с более низкой степенью сжатия.
Стандартный двигатель Honda S2000 (F22C1) имеет степень сжатия 11,1:1 .
Некоторые атмосферные двигатели спортивных автомобилей могут иметь степень сжатия до 12,5 : 1 (например, Ferrari 458 Italia).
В 2012 году Mazda выпустила новые бензиновые двигатели под торговой маркой SkyActiv со степенью сжатия 14:1 . Остаточный газ снижается за счет использования выхлопных систем двигателя 4-2-1, внедрения поршневой полости и оптимизации впрыска топлива для снижения риска детонации двигателя.
Дизельные двигатели имеют степень сжатия, которая обычно превышает 14:1, также распространены степени выше 22:1.

Каталожные номера:

Ядерная и реакторная физика:

Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд. , Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-й выпуск, 1994, ISBN: 978-0412985317
W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2, 19 января.93.

Advanced Reactor Physics:

Posted inДвигатель