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.

Читать далее

Как отличается параллельное и последовательное соединение резисторов.

Читать далее

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

Читать далее

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.

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.

Расчет коэффициента полезного действия.

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%.

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

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

Задать вопрос

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.

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

Предыдущая

ТеорияЧто такое электрическое поле: объяснение простыми словам

Следующая

ТеорияПравила безопасности при работе с электричеством

КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах

4.2

Средняя оценка: 4. 2

Всего получено оценок: 401.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 401.

Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Как устроен тепловой двигатель

С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.

Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н. э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.

Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:

Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T₁. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:

$$η={А\over Q1}$$

Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда

$η ={1 – Q2\over Q1}$

Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 2. Цикл Карно:.

Напомним:

• Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0);
• Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

$$ηmax=1-{T2\over T1}$$

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.

Рис. 3. КПД реальных тепловых двигателей:.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T₁ и холодильника Т₂, тем больше КПД.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Диана Руслановна

  6/10

• Каспанов Александр

  7/10

• Алекс Свояков

  8/10

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 401.

А какая ваша оценка?

Калькулятор эффективности

Создано Bogna Szyk

Отзыв от Jack Bowater

Последнее обновление: 12 января 2023 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:

1. Введите два из трех значений.
2. Калькулятор эффективности вычислит 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 (см. калькулятор эффективности 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​ – выход энергии (в джоулях) и
• EinE_\text{in}Ein​ – потребляемая 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 траты энергии вообще.

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 «эффективность» ваших денег при инвестировании. В отличие от энергоэффективности показатель ROI может (и даже должен) превышать 100 % — если он ниже 100 %, вы теряете деньги! См. калькулятор ROI, чтобы узнать больше.

• 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. Дополнительные сведения см. в нашем калькуляторе миль на галлон.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать эффективность машины?

Чтобы рассчитать эффективность машины, выполните следующие действия:

1. Определить энергию, подведенную к машине , или работу, совершенную машиной.

2. Определите энергию, произведенную машиной , или работу, совершенную машиной.

3. Разделите значение из шага 2 на значение из шага 1 и умножьте результат на 100 .

4. 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 % подведенной к машине энергии может быть преобразовано в полезную работу , а остальное теряется.

Может ли настоящая машина иметь КПД 100%?

Нет , реальная машина не может иметь КПД 100%. КПД 100% означает, что потерь нет, 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

Ознакомьтесь с 42 похожими термодинамическими и тепловыми калькуляторами 🌡️

Biot numberBoltzmann factorBoyle’s law… 39 more

Volumetric efficiency of an internal combustion engine – x-engineer.org

Table of Contents

• Definition
• Formula
• Example
• Calculator

Definition

For a В тепловом двигателе процесс сгорания зависит от соотношения 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 у воздуха есть масса, у него есть инерция. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка действуют как ограничители потока воздуха в цилиндры. Объемным КПД мы измеряем способность двигателя заполнить доступный геометрический объем 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 общего количества цилиндров n _c [-] и объема одного цилиндра V _{цилиндров} [м ^{3 ]} 1

V _t = n _c · V _cyl

(1)

Полный объем цилиндра равен сумме перемещенного (рабочего) объема V _{d 2 1 ^[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 ] :

= м _{a 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] Speed ​​9087 77777777777777777777777777777777777777777 7. 77777777777777777777777777777777 годы 77777777777 7. 77777777777777777777777 гг. 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

(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 [KG / M ³ ] 9018 – [KG / M ³ ]

–1010119 2

1118 – 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

3

2 Пример

2

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 9027 R 90 219 = 9 20 °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

0107°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) = 0.7091081 = 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.