3.2.2 Механический коэффициент полезного действия (кпд)

Энергия, подводимая
к механизму в виде работы движущих сил
А_дв.с.и моментов за
цикл установившегося движения, расходуется
на совершение полезной работыА_п.с.,
а также на совершение работыА_Fтр,
связанной с преодолением сил трения в
кинематических парах и сил сопротивления
среды.

Рассмотрим
установившееся движение. Приращение
кинетической энергии равно нулю, т.е.

= 0.

При этом работы
сил инерции и сил тяжести равны нулю
А_Ри = 0,А_G
= 0. Тогда для установившегося
движения работа движущих сил равна

А_дв.с.=А_п.с.+
А_Fтр.

Следовательно,
за полный цикл установившегося движения
работа всех движущих сил равна сумме
работ сил производственных сопротивлений
и непроизводственных сопротивлений
(сил трения).

Механический
коэффициент полезного действия η (КПД)
– отношение работы сил производственных
сопротивлений к работе всех движущих
сил за время установившегося движения:

η = .
(3.61)

Как видно из
формулы (3.61), КПД показывает, какая доля
механической энергии, приведенной к
машине, полезно расходуется на совершение
той работы, для которой машина создана.

Отношение работы
сил непроизводственных сопротивлений
к работе движущих сил называется
коэффициентом потерь:

ψ =.
(3.62)

Механический
коэффициент потерь показывает, какая
доля механической энергии, подведенной
к машине, превращается в конечном счете
в теплоту и бесполезно теряется в
окружающем пространстве.

Отсюда имеем
связь между КПД и коэффициентом потерь

η =1- ψ.

Из этой формулы
вытекает, что ни в одном механизме работа
сил непроизводственных сопротивлений
не может равняться нулю, поэтому КПД
всегда меньше единице (η <1). Из этой
же формулы следует, что КПД может
равняться нулю, еслиА_дв.с=А_Fтр.Движение, при котором А_дв.с=
А_Fтр
называется холостым. КПД не
может быть меньше нуля, т.к. для этого
необходимо, чтобыА_дв.с<А_Fтр.Явление, при котором механизм находится
в покое и при этом удовлетворяется
условие А_дв.с<А_Fтр,
называется явлением самоторможения
механизма. Механизм, у которого η = 1,
называетсявечным двигателем.

Таким образом,
коэффициент полезного действия находится
в пределах

0 
η  1.

Рассмотрим
определение КПД при различных способах
соединения механизмов.

Пусть имеется
nпоследовательно
соединенных между собой механизмов
(рисунок 3. 16).

А_дв.с. 1А₁2 А₂3
А₃А_n-1nA_n

…

Рисунок 3.16 — Схема
последовательно соединенных механизмов

Первый механизм
приводится в движение движущими силами,
которые совершают работу А_дв.с.
Так как полезная работа каждого
предыдущего механизма, затрачиваемая
на производственные сопротивления,
является работой движущих сил для
каждого последующего механизма, то КПД
первого механизма будет равняться:

η₁ =А₁/А_дв.с..

Для второго
механизма КПД равняется:

η₂ =А₂/А_1.

И, наконец, для
n-го механизма КПД будет
иметь вид:

η_n =А_n/А_n-1

Общий коэффициент
полезного действия равен:

η_1n
=А_n/А_{дв. с.}

Величина общего
КПД может быть получена, если перемножить
КПД каждого отдельного механизма, а
именно:

η_1n=
η₁ η₂
η₃ …η_n=.

Следовательно,
общий механический коэффициент
полезного действия последовательно
соединенных механизмов равняется
произведению механических
коэффициентов полезного действия
отдельных механизмов, составляющих
одну общую систему:

η_1n=
η₁ η₂ η₃
…η_n. (3.63)

Коэффициент полезного действия (КПД) насосов

КПД насосов позволяет повысить энергоэффективность производства и сэкономить деньги. В статье рассмотрено из чего складывается КПД насосов, что на него влияет и как его посчитать. Приводится информация по центробежным (в т.ч. с магнитной муфтой), винтовым, импеллерным и мембранным пневматическим насосам.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности системы (устройства или машины) в отношении преобразования или передачи энергии, которая показывает совершенство его конструкции и экономичность эксплуатации. Так как насосы перекачивают жидкость посредством преобразования одного вида энергии в другой вид энергии, то они идеально подходят под данное правило, а значит, обладают собственным коэффициентом полезного действия.

Формула

Коэффициент полезного действия не имеет системы измерений и обозначается обычно в процентах. Общий КПД жидкостного насоса определяется произведением КПД его привода (электродвигатель, пневмодвигатель, гидродвигатель) и КПД насосной части. Ƞ = ƞ_пр * ƞ_нч

КПД привода насоса это не что иное, как отношение мощности, которую мы получаем на выходном валу двигателя к потребляемой двигателем мощности. Нужно сразу уточнить, что данное отношение не может быть больше единицы, так как потребляемая двигателем мощность всегда больше мощности на выходе. Это обуславливается тем, что в процессе преобразования энергии всегда присутствуют тепловые и механические потери. Ƞ_пр = P₂ / P₁

Расчет КПД

Потребляемая мощность зависит от вида и характеристик собственного источника. Если насос имеет электрический привод – электродвигатель, то потребляемая мощность электрическая, если пневмодвигатель, значит потребляемая мощность это мощность нагнетаемого воздуха. Электрическая потребляемая мощность это произведение напряжения на силу тока.

Мощность на выходном валу двигателя, это мощность механическая, полученная вследствие преобразования подведенного электрического или пневматического вида энергии. Данную мощность нужно рассматривать как отношение работы к единице времени.

Так как насосная часть состоит из деталей, узлов и механизмов, а во время её работы происходят различные процессы и присутствуют разные физические явления, то её коэффициент полезного действия необходимо рассматривать как произведение трёх составляющих: механический КПД, гидравлический КПД и объёмный КПД. Ƞ_нч = ƞ_м * ƞ_г * ƞ_о

Механический КПД

Механический КПД во многом зависит от качества изготовления насоса, от его конструктивных особенностей. Механические потери связанные с работой трущихся частей (в подшипниках, в механическом торцевом уплотнении, в сальниковом уплотнении, в проточной части) снижают данный КПД.

Гидравлический КПД

Гидравлический КПД определяется течением жидкости внутри проточной части насоса, а если точнее гидравлическими потерями, которые возникают во время работы насоса. Например, если шероховатость поверхности стенок насоса увеличена, то жидкости станет сложнее преодолеть сопротивление трения, а значит, скорость течения жидкости будет ниже. Многое зависит и от вида течения жидкости. Возникающий в проточной части насоса турбулентный (вихревой) поток жидкости увеличивает гидравлические потери.

Отношение количества жидкости поступившей в насос через всасывающий патрубок, к количеству жидкости вышедшей из него через напорный патрубок является объёмным КПД насосной части. Объёмный КПД ещё называют КПД подачи, так как его можно рассмотреть как отношение производительностей, действительной к теоретической.

Чтобы потребитель имел возможность определить КПД насоса в конкретной рабочей точке, многие производители насосного оборудования прилагают к диаграммам рабочих характеристик насоса диаграммы с графиками характеристик КПД.

График эффективности насоса на примере Argal TMR 10.15

КПД промышленных насосов

В данной статье косвенно рассмотрим коэффициент полезного действия насосов различных видов: центробежных, винтовых, импеллерных, мембаранно-пневматических.

Центробежный насос

КПД самых распространенных центробежных насосов во многом зависит от режима их работы и конструктивных особенностей. Максимальным КПД обладают центробежные насосы с приводом большой мощности и высокими рабочими характеристиками. Их эффективность может достигать 92-95 %. Значение мощности двигателя таких центробежных насосов обычно начинается от 10кВт, а насосная часть имеет высокое качество изготовления.

Насос с магнитной муфтой

Насосы с магнитной муфтой имеют схожий КПД. Для данного типа насоса очень важно, чтобы герметичная задняя крышка насоса, располагающаяся между ведущим и ведомым магнитом, была изготовлено из токонепроводящих материалов. Иначе, будут возникать вихревые токи, которые вызывают потерю мощности и снижают общий КПД насоса.

Винтовой насос

Винтовые насосы имеют высокие механические потери. Они в первую очереди связаны с трениями, которые возникают в подшипниковом узле, а также между ротором и статором, но благодаря высоким рабочим характеристикам (расход, напор) данный тип насосов может иметь КПД колеблющийся от 40 до 80 %.

Импеллерный насос

Импеллерные насосы бережно перекачивают жидкость, создавая равномерный ламинарный поток и высокое давление на выходе, но высокие механические потери обусловленные трением гибких лопастей импеллера о внутреннюю поверхность корпуса не позволяет данному типу насосов быть лидером по эффективности.

Мембранно-пневматический насос

Мембранно-пневматические насосы не имеют двигателя и работают от поданного на него сжатого воздуха. Так как требуется дополнительное превращение электрической энергии в энергию сжатого воздуха, то КПД мембранно-пневматического насоса во многом зависит от КПД воздушного компрессора. Обычно КПД поршневых компрессоров составляет 80-92%, лопастных 90-96%. Кроме этого, в самом насосе, в той или иной мере, присутствуют все виды потерь. Гидравлические потери возникают, когда жидкость через небольшое всасывающее отверстие поступает в рабочую камеру насоса и выходит через отверстие подачи под определенным углом. Здесь поток жидкости сталкивается с внезапным расширением сечения при последующем резком повороте. Механические потери связаны с тем, что основная втулка насоса является парой трения скольжения. Кроме этого имеет место трение жидкости с деталями насоса: клапана, коллектора, мембрана, стенки боковой крышки. Объемные потери определяются отношением количества жидкости поступившего в насос и количеством жидкости вышедшего из него за два такта (всасывание – нагнетание).

Вывод

Подводя итог данной статьи можно сказать, что эффективность перекачивающих насосов во многом зависит от мощности двигателя насоса, а также от качества изготовления деталей и узлов самого насоса. Среди рассмотренных типов насосов наибольшим КПД обладают высокопроизводительные и высоконапорные центробежные насосы. Наименьшая эффективность у мембранно-пневматических насосов.

Механический КПД | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Примечания по механическому КПД

Механический КПД 

В области машиностроения «механический КПД» относится к безразмерному числу, которое определяет, насколько успешно механизм или машина преобразует мощность, подаваемую в устройство, в мощность, которая выводится устройством. Машина представляет собой механическую связь, в которой сила приложена в одной точке, и эта сила совершает работу, перемещая груз в другую точку. Машины можно разделить на простые и сложные. В любой данный момент мощность, подводимая к машине, равна входной силе, умноженной на скорость входной точки. Точно так же выходная мощность машины равна силе, действующей на груз, умноженной на скорость груза. Механический КПД машины представляет собой безразмерное число от 0 до 1, которое представляет собой отношение между выходной мощностью машины и потребляемой мощностью. Это соотношение часто обозначается греческой буквой эта (η)).

η = Выходная мощность/Потребляемая мощность

Поскольку машина не имеет собственного источника энергии и не может накапливать энергию, принцип сохранения энергии гласит, что выходная мощность машины никогда не может превышать количество энергии он поглощает. В результате эффективность машины никогда не может быть больше единицы.

Трение является источником потери энергии, происходящей во всех реальных машинах; эта потеря энергии проявляется в виде тепла. Из-за этого их выходная мощность ниже, чем мощность, которую они вкладывают.

Выходная мощность = Потребляемая мощность — Потеря мощности на трение

Поскольку это так, КПД всех реальных машин меньше 1. Гипотетическая машина, в которой отсутствует трение, называется идеальной машиной. Поскольку в такой машине не будет потерь энергии, выходная мощность машины будет равна мощности, которую она потребляет, а ее КПД будет равен 1. (100 процентов)

Термин «гидравлический КПД» относится к уровню производительность, достигаемая гидротурбинами.

Механическое преимущество 

Использование инструмента, механического устройства или системы машин может привести к усилению силы, которое можно измерить с помощью концепции механического преимущества. Чтобы достичь желаемого уровня усиления выходной силы, устройство находит компромисс между входной силой и движением. Закон рычага служит образцом для этой концепции. Компоненты машин, называемые механизмами, предназначены для управления силами и движениями таким образом. Идеальный механизм — это тот, который может передавать энергию, не добавляя и не уменьшая ее. Это указывает на то, что идеальный механизм не содержит источника энергии, не имеет трения и состоит из твердых тел, которые не прогибаются и не изнашиваются. Кроме того, механизм должен функционировать без износа или деформации. Производительность реальной системы по сравнению с этим идеалом выражается в показателях эффективности, учитывающих отклонения от идеала. Это позволяет более точно отображать производительность.

Рычаг 

Рычаг состоит из подвижного стержня, который поворачивается на точке опоры, которая либо прикреплена к неподвижной точке, либо расположена на ней, либо пересекает ее. Работа рычага включает в себя приложение сил на различных расстояниях от точки опоры, также известной как точка опоры. Класс рычага определяется тем, где находится точка опоры. В ситуациях, когда рычаг непрерывно вращается, он выполняет функции поворотного рычага 2-го рода. Движение конечной точки рычага описывает фиксированную орбиту, по которой можно обменивать механическую энергию. (в качестве иллюстрации рассмотрим рукоятку.)

См. также рычаг (поворотный) 2-го класса; см. шестерни, шкивы или фрикционный привод, используемые в схеме механической передачи энергии; этот вид поворотного рычага широко используется в наши дни; см. также (поворотный) рычаг 2-го класса. Использование более чем одной передачи для достижения «свернутой» формы механического преимущества довольно распространено. Это можно сделать в ряде различных контекстов (передач). В зубчатой ​​передаче, подобной этой, используются шестерни с более компактными радиусами и меньшим механическим преимуществом. Чтобы воспользоваться механическим преимуществом, которое не было свернуто, необходимо использовать поворотный рычаг, который имеет «истинную длину». См. также использование механического преимущества в конструкции конкретных типов электродвигателей; одна такая конструкция называется «аутраннер».

При вращении рычага вокруг точки опоры точки, находящиеся дальше от оси вращения, будут двигаться быстрее, чем точки, расположенные ближе к оси вращения. Поскольку сила, входящая в рычаг и выходящая из него, одинакова, результат вычислений также должен быть одинаковым. Поскольку мощность является произведением силы и скорости, отсюда следует, что силы, прикладываемые к точкам, находящимся дальше от оси вращения, должны быть меньше, чем силы, прикладываемые к точкам, расположенным ближе.0123

Если a и b — расстояния от точки опоры до точек A и B соответственно, и если сила FA, приложенная к A, — входная сила, а сила FB, приложенная к B, — выходная сила, то отношение скоростей точек A и B задается как a/b, что указывает на то, что отношение выходной силы к входной силе, также известное как механическое преимущество, определяется выражением.

MA =F _b /F _a =a/b

Архимед использовал геометрические рассуждения, чтобы продемонстрировать этот закон рычага, который также известен как закон рычага.