Что характеризует коэффициент полезного действия двигателя: Что характеризует коэффициент полезного действия двигателя

Что характеризует коэффициент полезного действия?

індійські факіри можуть лежати на гострих лезах. якою має бути межа міцності шкіри факіра, щоб він міг лежати на п’ятдесяти довгих гострих лезах? маса … факіра дорівнює 60 кг, довжина кожного леза — 60 см, товщина — 0,2 мм. Даю 30 баллов за правильный ответ!​

Задание 2. Измерение шага винта.Шагом винта называют расстояние между двумя соседнимивиткамирезьбы Шаг винта может быть очень незначительнымпоэтому дл … я его определения также используют способ рядов.1.Измерьте линейкой длину части винта L, на которойрасположенывитки резьбы. Затем посчитайте точное число витков резьбыN. Шаг винтаопределяется выражением d = LIN2. При определении шага винта (особенно в тех случаях, когдарезьбарасположена с внутренней стороны гайки) можно получитьболее точный результат, если рельеф от резьбы перенести набумагу. Для этого поверхность, на которой расположенарезьба, надо покрасить чернилами или мягким графитом(карандашом).3 Результаты измерений и вычислении внесите в таблицуИсследуемое Длина резьбы | Число витков | Шаг винта(L, мм)(N)(d, MM)телоВинтГайкаШуруп4Определите и запишите погрешности измерений​

а) Записать ,где точка приложения силы Архимеда и куда она направленаb) Записать от чего зависит и не зависит сила Архимедаc) Записать формулы расчета … силы АрхимедаПомогите пожалуйста ,даю 15 баллов​

1. На тело действует сила, но тело не перемещается. В этом случае… А. Механическая работа не совершается. Б. Совершается механическая работа. 2. В … каком из приведенных случаев совершается работа? 1. Яблоко падает на землю. 2. Паром перевозит груз через реку. 3. На цепях висит люстра. А. 1,2, 3. Б. 1. В. 2. Г. 3. Д. 1, 2. Е. 2, 3. Ж. 1, 3. 3. Под действием силы тело переместилось на некоторое расстояние. Затем силу увеличили в два раза, при этом расстояние уменьшилось в два раза. Сравните работу в обоих случаях. А. В обоих случаях работа не совершалась. Б. В обоих случаях работа одинаковая. В. В первом случае работа в 4 раза больше. Г. В первом случае работа в 4 раза меньше. Д. Во втором случае работа в 2 раза больше. Е. Во втором случае работа в 2 раза меньше. 4. Отношение работы ко времени, за которое она совершается, равно… А. Силе. Б. Давлению. В. Мощности. Г. Скорости. 5. Под действием силы 80 Н тело прошло 20 м. Какая работа была совершена? А. 20 м. Б. 4 Дж. В. 80 Н. Г. 1600 Дж.

Тело весом 250 Н полностью погружено в жидкость. Вес вытесненной жидкости 200Н. Какова сила Архимеда, действующая на тело? срочно пжжжжжж​

1. (16) Встановити відповідність міжфізичною величиною і позначеннямА) Сила1) рБ) Густина2) kB) Жорсткість3) F.г) Коефіцієнт тертя4) и​

ПОМОГИТЕ ПОЖАЛУЙСТА ВСЕ ВОПРОСЫ) ФИЗИКА 7 КЛАСС

Помогите пожалуйста очень надо​

На дне шахты барометр зафиксировал давление 796 мм рт. ст., а у поверхности Земли — 760 мм рт.ст. Найти глубину шахты.

Упражнение 4,6 1-2 кто знет? Стр 128 7класс

Эффективный КПД двигателя

В настоящее время источниками механической энергии в автомобилях являются в основном тепловые двигатели, в первую очередь двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями, поэтому необходимо в первую очередь найти пути уменьшения этих потерь и достичь максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе.

Важным показателем является коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу.

Эффективный КПД

Характеристика двигателя, отражающая степень использования теплоты с учетом всех видов потерь как тепловых, так и механических. Представляет собой отношение полезной механической работы ко всей затраченной теплоте.

По определению выше:

η_e = A_e/Q₁,

где A_e – полезная механическая работа; Q₁ – затраченная теплота.

Также можно выразить эффективный КПД, используя другие коэффициенты полезного действия двигателя:

η_e = η_i·η_m = η

где η_i – индикаторный КПД; η_m – механический КПД; η_t – термический КПД; η_g – относительный КПД.

Например, при работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую работу, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах. Любое использование тепловых потерь двух последних видов означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового, баланса автомобиля.

Так, использование теплоты, поглощенной охлаждающей жидкостью, которую в принципе необходимо отвести от двигателя для отопления кабины или кузова, является типичным примером экономии топлива, необходимого для независимого отопления. Такими же примерами служат обогрев отработавшими газами кузовов грузовых автомобилей, которые перевозят смерзающиеся грузы (руду, уголь, жидкости), использование энергии отработавших газов для привода турбокомпрессора или вспомогательной турбины.

Читайте также

• Потери при газообмене

  Для наполнения цилиндра воздухом необходимо возникновение перепада давлений между цилиндром и внешней средой. Двигатель действует как воздушный насос и на его привод расходуется часть индикаторной мощности двигателя.

Комментарии

Механический коэффициент полезного действия двигателя

Что называется механическим коэффициентом полезного действия двигателя?

Отношение эффективной мощности N_e к индикаторной N_i называется механическим коэффициентом полезного действия:

η_м = N_e / N_i.

Механический КПД показывает, какая часть энергии, выделившейся в цилиндрах при сгорании топлива, расходуется на внутренние потери.

В каких пределах находится механический КПД?

Для карбюраторных двигателей механический КПД находится в пределах η_м = 0,70 — 0,85, для дизельных – η_м = 0,70 — 0,82.

Какое соотношение есть между эффективной мощностью, частотой вращения коленчатого вала и крутящим моментом двигателя?

Между эффективной мощностью N_e, частотой вращения коленчатого вала n и крутящим моментом М_кр существует такое соотношение:

Изменяется ли эффективная мощность и другие параметры двигателя?

Эффективная мощность двигателя, развиваемая им при работе, не остается постоянной, а изменяется в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения мощность двигателя увеличивается до определенного предела, установленного для каждого двигателя. При дальнейшем увеличении частоты вращения коленчатого вала мощность двигателя уменьшается вследствие того, что цилиндры не успевают наполняться достаточным количеством горючей смеси или воздуха, а также из-за неполного сгорания топлива и увеличения потерь на трение в самом двигателе. Поэтому заводы-изготовители при указании максимальной мощности двигателя указывают частоту вращения коленчатого вала, которой она отвечает.

С изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя, кроме мощности, соответственно изменяются крутящий момент М_кр и удельный эффективный расход топлива g_e, определяемый по формуле:

где G_т – часовой расход топлива, кг/ч.

Для карбюраторных двигателей удельный эффективный расход топлива находится в пределах 300-325 г/кВт·ч, для дизельных – 217-238 г/кВт·ч. Зависимость всех этих показателей от частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя с полной подачей топлива (дизельные) или при полностью открытой дроссельной заслонке (карбюраторные) показана в виде графика (рис.

Рис.6. Внешняя скоростная характеристика двигателя автомобиля ГАЗ-53А.

***
Проверьте свои знания и ответьте на контрольные вопросы по теме «Мощность и экономичность поршневых двигателей внутреннего сгорания»

двигатель, механический коэффициент полезного действия двигателя

Смотрите также:

Двигатель, коэффициент полезного действия — Справочник химика 21

    Регулирование изменением числа оборотов осуществляется просто лишь в тех случаях, когда двигатель компрессора допускает это изменение без значительного снижения коэффициента полезного действия. К таким двигателям относятся паровые и газовые турбины. [c.61]

    В последнее время большое внимание уделяется созданию так называемых топливных элементов. В топливных элементах энергия химических реакций, выделяющаяся в процессе окисления топлива, непосредственно преобразуется в электричество. Коэффициент полезного действия таких топливных элементов вдвое превышает коэффициент полезного действия паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания и достигает 80%. [c.83]

    Применение большого числа дизельных двигателей в СССР обусловливается их более высоким коэффициентом полезного действия, использованием более дешевых видов топлива и снижением его расхода. [c.59]

    Теоретически в топливном элементе можно полностью использовать свободную энергию горючего, которая не очень отличается от его теплотворной способности. На самом деле это не совсем так, поскольку и здесь потери энергии неизбежны. Однако можно получить коэффициент полезного действия, равный 65—70%, т. е. значительно выше, чем у самых лучших тепловых двигателей. [c.140]

    Коэффициент полезного действия агрегата отражает все потери энергии в насосе, двигателе и передаче, поэтому [c.56]

    В этом цикле детандер работает при очень низких температурах, так как газ (воздух), расширяясь в нем, охлаждается приблизительно до —140 С. Поэтому коэффициент полезного действия детандера низок — не превышает 0,6—0,65. Кроме того, возникают затруднения в эксплуатации двигателя, так как обычные смазочные масла в этих условиях оказываются непригодными. [c.673]

    Преимущества газового двигателя по сравнению с дизельным следующие пониженный уровень шума, более ровная и устойчивая работа, меньший выброс дыма, пониженная эмиссия суммарных окислов азота и углеводородов, меньшие затраты на эксплуатацию, повышенный срок службы. Основные недостатки его — повышение расхода топлива на 15—50% вследствие уменьшения его плотности и термического коэффициента полезного действия.  [c.224]

    С учетом коэффициента полезного действия (КПД) двигателя ракеты, уравнение (70) позволяет получать соотношение между силой тяготения ракеты Землей и количеством тепловой энергии, затрачиваемой на преодоление этого тяготения. [c.80]

    Пример 5. Практический коэффициент полезного действия (КПД) двигателя внутреннего сгорания равен 28%. Насколько можно повысить КПД этого двигателя, если температура газов сгорания в его цилиндрах равна 1200 К, а температура выхлопных газов — 400 К  [c.74]

    ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ — устройства с высоким коэффициентом полезного действия, в которых энергия химической реакции непосредственно превраш,ается в электрическую. С Т. э. связывают в будущем революцию в транспорте — замену двигателей внутреннего сгорания на электрические. Т. э. применяются в космических аппаратах, в военном деле и др. [c.252]

    Если вечный двигатель второго рода невозможен, то независимо от природы рабочего тела в обратимо работающей машине по циклу Карно всегда Q —С] = 0, т. е. предположение о возможном различии коэффициентов полезного действия обратимо работающих машин Карно не подтвердилось. Отсюда следует, что для цикла Карно независимо от природы рабочего тела всегда выполняется соотношение (1.33). [c.46]

    Мощность и коэффициент полезного действия. Аппараты и машины, кроме производительности, характеризуются также мощно-с т ь ю, т, е. работой, затрачиваемой или получаемой в единицу времени. Обычно мощность выражают в киловаттах (квт) или в лошадиных силах (л. с.). Необходимо отличать мощность, затрачиваемую на валу данной машины, от мощности двигателя, который приводит машину в движение. Мощность двигателя вследствие потерь энергии в передаточных механизмах всегда должна быть больше мощности, требующейся на валу аппарата или машины. [c.18]

    Не вся мощность, развиваемая двигателем на валу N. передается жидкости. При любой системе и конструкции насоса в нем обязательно существуют какие-то потери энергии, которые учитываются коэффициентом полезного действия (к. п. д.) т] [c.17]

    Устройство водородно-кислородного топливного элемента показано на рис. 16.11. В подобных элементах используют также многие другие топлива. В качестве окисляемых на аноде веществ можно применять газообразные углеводороды, а кислорода, содержащегося в воздухе, вполне достаточно для обеспечения катода электродным веществом. Предполагаемый коэффициент полезного действия промышленных топливных элементов должен вдвое превосходить КПД обычных паровых турбин и двигателей внутреннего сгорания.  [c.297]

    При снижении нафузки СД снижается абсолютная величина потерь мощности в СД, но растет доля потерь в мощности, потребляемой из сети, что означает снижение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя и перекачки в целом. Дополнительные потери мощности, вызванные недогрузкой СД, по сравнению со случаем, когда номинальная мощность СД была бы равна фактической нафузке на валу, определятся по выражению [c.72]

    Центробежные и осевые насосы. Эти насосы обеспечивают плавную и непрерывную подачу перекачиваемой жидкости при достаточно высоких значениях коэффициента полезного действия. Относительно простое устройство обеспечивает их высокую надежность и достаточную долговечность. Отсутствие поверхностей трения, клапанов создает возможности для перекачивания загрязненных жидкостей. Простота непосредственного соединения с высокооборотными двигателями способствует компактности насосной установки и повышению ее к. п. д. Все эти достоинства лопастных насосов, прежде всего центробежных, привели к тому, что они являются основными насосами в химической промышленности.  [c.189]

    В которой d — диаметр шейки вала, а f — коэффициент трения вала в подшипниках. Мощность двигателя выбирается с учетом коэффициента полезного действия приводного механизма (обычно [c.797]

    От вязкости масла зависит величина механических потерь в двигателе, его коэффициент полезного действия и, что особенно важно, —расход топлива. [c.27]

    Для новышения коэффициента полезного действия печи устанавливают воздухоподогреватель. Принципиальная схема трубчатой печи с подогревом воздуха представлена на рис. (20. 27). Вследствие пагрева воздуха, поступающего в печь, снижается температура дымовых газов, уменьшаются потери тепла с отходящими газами, увеличивается коэффициепт полезного действия печи, сокращается расход топлива. Подогрев воздуха способствует повышению температуры в топке, более эффективному горению топлива и более эффективной передаче лучистого тепла. Однако для осуществления подогрева воздуха требуются дополнительные затраты, связанные с установкой воздухоподогревателя, воздуходувки, а также с дополнительным расходом электроэнергии, потребляемой двигателем воздуходувки.  [c.490]

    Конструкции современных двигателей внутреннего сгорания ставят перед нефтяной промыш.пенностью вопрос не только о количестве бензина, но и об его качестве. Бензин с высоким октановым числом повышает коэффициент полезного действия, сохраняет и удлиняет работоспособность двигателя, поэтому повышение антидетонациоиных свойств бензина имеет практический интерес. [c.183]

    В отличие от карбюраторного двигателя в такте впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвергается сильному сжатию (е=16 —20) и нагревается до 500 — 600 °С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давлением впрыскивается топливо через форсунку. При этом топливо мелко расг ыливается, нагревается, испаряется и перемешивается с воздухе м, образуя горючую смесь, которая при высокой температуре самовоспламеняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходя так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия двигателя. Однако высокое давление требует применения более прочных толстостенных деталей, что повышает материалоемкость (массу) дизеля. [c.101]

    Снижение коэффициента трения неизменно приводит к снижению износа трущихся поверхностей. Таким образом,без пртленения смазочных масел невозглокна работа двигателей, машин и агрегатов. Применение смазочных масел позволяет повысить коэффициент полезного действия двигателей, машин, агрегатов и увелшчить срок их службы, [c.120]

    Таким образом, комбинирование бензина деструктивной гидрогенизации (получаемого из угля или крекинг-остатков нефти) со спиртом или лучше с гомологами бензола или с индивидуальными изопарафиновыми углеводородами, открывает пути для нрименепия моторов с весьма высокими степенями сжатия и, следовательно, с высоким коэффициентом полезного действия. Установлено, что если при расходе 1 гл горючего машина со степенью сжатия 5 проезжает 15 миль (т. е. при расходе 1 л пробег равен 6,377 км), то та же машина со степенью сжатия 6, 7 и 8 проезжает 16,37 17,58 и 18,55 мили (т. е. при расходе 1 л соответственно 6,96 7,59 и 7,89 км), или расход горючего при степенях сжатия 5, 6, 7 и 8 составит на каждые 100 км 15,681, 14,386, 12,882 и 9,500 л. Расходы топлива в двигателе в 400 л. с., при различных октановых числах этих топлив, иллюстрируются, кроме того, следующими данными [3]  [c.7]

    Коэффициент полезного действия компрессорной установки Пиз. уст должен учитывать КПД передачи движения от вала двигателя к валу компрессора Ппер и КПД двигателя -Пдв [c.53]

    Коэффициент полезного действия электродвигателя Г1э есть отношение получаемой механической мощности к затраченной электрической мощности двигателя. Значения т)э при различных нагрузках сообщаются поставщиком электродвигателя в виде диаграмм. Для точной работы нужно использовать электродвигатели постоянного тока. При малоыасштабных процессах вал мешалкн можно непосредственно соединять с валом электродвигателя и регулировать скорость вращения мешалки реостатом.  [c.44]

    Химические источники электрического тока. Различные виды энергии, необходимые человеку, часто получают из химической энергии, освобождающейся в результате реакций. Превращение химической энергии в теплоту происходит наиболее просто. Оно может быть осуществлено простым сжиганием различных вешестч на воздухе. Значительно сложнее химическую энергию превращать в электрическую . На тепловых электростанциях химическая энергия, содержащаяся в угле или нефти, путем сжигания последних превращается в тепловую, которая при помощи тепловых двигателей превращается в электрическую. Принципиально в гальванически,ч элементах химическая энергия может превращаться в электрическую с коэффициентом полезного действия (сокращенно к, п. д.), равным 100%. На практике к. п. д., конечно, ниже, но все же достигает 90%. На тепловых электростанциях значения к. п, д. составляют око.ю 35%. [c.245]

    Не меньшая пестрота в показателях исггользовяния топлива наблюдается и па транспорте. Так, коэффициент полезного действия паровозов совершенно ничтожен — всего лишь около 5—7%. С большей эффективностью используется топливо в тепловозах, т. е. современных локомотивах, в которых паровые котлы и машины заменены более экономичными двигателями внутреннего сгорания. Большую экономию топлива дает также применение электровозов. [c.106]

    Прежде всего следует помнить что все жидкое и большая 1асть твердого топлива сжигается в настоящее время в распыленном состоянии т е в виде аэрозоля Поэтому распылению жидких топлив превращению угля в пылевидное топливо и горению аэрозолей посвящена обширная литература — Для ракет НОИ техники большое значение имеет процесс горения металлических порошков Образующийся при этом аэрозоль из металлических окислов существенно сни жает коэффициент полезного действия ракетных двигателеи и это явление в настоящее время является предметом интенсивного исследования Интересные применения аэрозоли получили как теплоносители и охладители для реакто ров и как рабочее тело в магнитогидродинамических двигателях [c. 418]

Что характеризует кпд электродвигателя. Кпд электродвигателей и что влияет на его значение

В электродвигателе при преобразовании электрической энергии в механическую часть энергии теряется в виде тепла, которое сразу рассеивается в различных частях мотора и частично – в окружающей среде. Все потери делятся на три вида: механические, обмоточные и потери в стали. Причем существуют еще и добавочные потери.

Расчет потерь в электрическом двигателе

• Для расчета потерь в электродвигателе используют специальные формулы. На диаграммах можно заметить, что часть мощности, которая подается к статору из электросети, передается на ротор через зазор. Рэм – это электромагнитная мощность.

• Потери мощности непосредственно в статоре – это слагаемое потерь на вихревые токи и на частичное перемагничивание сердечника самого статора. Если рассматривать потери в стали, они настолько незначительные, что редко принимаются во внимание. Объяснить такое можно достаточно просто. Скорость вращения самого статора электродвигателя значительно выше скорости, создаваемой магнитным потоком. Так происходит только в том случае, если скорость вращения ротора полностью соответствует техническим характеристикам электромотора, заявленным производителем.

• Механическая мощность на валу ротора, как правило, меньше мощности Рэм ровно на количество потерь в обмотке. Механические потери в основном приходятся на определенное трение в подшипниках, а также на трение щеток, что характерно для электродвигателей с фазными роторами и на трение вращающихся частей, встречающих воздушную преграду.

• Добавочные потери в асинхронных электродвигателях обусловлены наличием зубчатости статора и ротора, вихревых потоков в разных узлах электродвигателя и иными потерями. При расчете такие потери уменьшают КПД электродвигателя на половину процента от номинальной мощности.

КПД электродвигателя в расчетах

Коэффициент полезного действия асинхронного электродвигателя уменьшается на суммарность потерь мощности, которые рассчитываются по формуле. Общая же сумма потерь напрямую зависит от нагрузки электродвигателя. Чем выше нагрузка, тем больше потерь и меньше КПД.

Конструирование асинхронного электродвигателя производится с учетом всех потерь при максимальной нагрузке. Поэтому данный диапазон может быть достаточно широким. Большинство асинхронных электромоторов имеет коэффициент полезного действия 80-90%. Мощные моторы выпускают с КПД от 90 до 96%.

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.

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. 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.

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. 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.

Разработан электродвигатель нового типа , обладающий значительно более высокой эффективностью, чем выпускающиеся сейчас. С возбуждением, от электромагнитов , или от постоянных магнитов . Вариантов конструктивного исполнения может быть много.

Все находится в полном соответствии с известными законами физики и законами сохранения энергии. Дело в том, что в известных электродвигателях только очень малая часть потребляемой мощности используется для создания работы, а основная часть тратится на преодоление так называемой обратной(или генераторной) ЭДС, возникающей согласно закону Ленца во вращающемся роторе. Во всех руководствах по электротехнике утверждается, что КПД электродвигателя может достигать 80-98%, но проведя необходимые исследования, я убедился, что это не так, а истинный КПД электродвигателя не превышает 5-10%, поэтому имеются огромные резервы для его увеличения, и соответственно улучшения экономичности электродвигателя во много раз.

С тех пор, как в 1821 году Эрстед продемонстрировал возникновение магнитного поля вокруг проводника с током, электротехника начала стремительно развиваться.

Уже через несколько лет были установлены основные законы электротехники, созданы мощные электромагниты , а также первые электродвигатели. Но удивительное дело: электромагниты , создающие большую статическую силу магнитного взаимодействия и потребляющие при этом небольшую мощность, при работе электродвигателя , когда ротор начинал вращаться, теряли свою силу и требовали увеличения напряжения, а следовательно и мощности для того, чтобы электродвигатель мог совершать механическую работу.

Правильное объяснение этому явлению дал русский физик Ленц. Сейчас это явление можно кратко назвать противоЭДС.

Суть этого явления в том, что при движении относительно друг друга проводников с током или магнита и проводника с током, в проводнике возникает напряжение, которое всегда направлено встречно питающему обмотку двигателя , поэтому и приходится, для поддержания мощности двигателя , увеличивать напряжение его питания. Получается странная картина: с одной стороны — мощное магнитное поле и огромная сила взаимодействия катушек с ферромагнитными сердечниками друг с другом, при малой потребляемой мощности, а с другой, при относительно медленном движении катушек относительно друг друга уже требуется значительно увеличивать напряжения питания для поддержания силы магнитного взаимодействия. Поэтому возникла мысль, что если удастся найти способ нейтрализовать влияние закона Ленца в электродвигателе, то можно получить огромный выигрыш в получаемой механической мощности, относительно затраченной электрической. В результате проведенных исследований были теоретически найдены и подтверждены опытным путем несколько частных случаев, когда закон Ленца не оказывает своего влияния на процессы, происходящие в электродвигателе, или значительно ослабляется. Это дает возможность создавать электродвигатели, которые способны на единицу затраченной электрической мощности, произвести от двух до десяти и больше единиц механической работы. При этом все остается в полном соответствии с любыми известными законами физики! Я не могу открыто говорить о конструктивных особенностях подобных двигателей, скажу только, что основные варианты мало отличаются от уже известных конструкций. Другие варианты совершенно не похожи на любые известные электродвигатели. Я даже не ожидал, что задача имеет такое множество решений! А взяться за решение подобной задачи меня побудила заметка, что около 50-и лет назад, в СССР, один умелец ездил на автомобиле «Москвич» с электромотором целый день, на энергии обычного автомобильного аккумулятора. Я сразу подумал о том, что его электромотор потреблял значительно меньшую мощность, чем развиваемая механическая и принял за аксиому, что раз было возможно тогда, то возможно и сейчас.

Сравнение электродвигателя без противоЭДС с обычным, по мощности потребления

Для простоты анализа возьмем любой коллекторный или вентильный двигатель . Он состоит из ротора и статора. Обмотки возбуждения могут быть как на роторе со статором, так и только на одном роторе или статоре (если используются постоянные магниты возбуждения). При подаче напряжения на двигатель , ротор и статор начинают двигаться относительно друг друга, при этом в обмотках якоря или статора (если ротор возбуждается постоянными магнитами ), индуцируется ЭДС, направленная всегда против напряжения внешнего источника питания. По мере увеличения числа оборотов ротора (действительной или кажущейся линейной скорости движения проводника относительно магнитного поля возбуждения) ток в обмотках под действием этой ЭДС уменьшается, соответственно уменьшается, и вращающий момент. Для его увеличения приходится повышать напряжение (мощность) питания электродвигателя . В современных электродвигателях практически вся мощность, подводимая для питания, расходуется на преодоление противодействующей ЭДС.

Например, серийный электродвигатель постоянного тока типа 4ПН 200S имеет следующие характеристики: мощность 60 кВт; напряжение 440 В; ток 149 А; частота вращения 3150/3500 об/мин; кпд 90,5%; длина статора 377 мм; диаметр ротора 250 мм, напряжение потерь 41,8 В; напряжение на преодоление индуцированной ЭДС 398,2 В; мощность на преодоление потерь 6228 Вт; вращающий момент (3500 об/мин) 164,6 Нм.

Получается, что если мы избавимся от противоЭДС, то для питания двигателя нужен источник напряжения не 440 вольт, а только 42 вольта, при том же токе 150А. Поэтому потребляемая мощность при полной нагрузке составит 6300 ватт при механической выходной мощности 60 кВт. Регулировка выходной мощности двигателя без противоЭДС может осуществляться изменением напряжения питания или импульсным регулированием.

В результате сравнительного анализа мы видим, что использование электродвигателя без противоЭДС способно в корне изменить всю экономику человечества. Это один из способов навсегда отказаться от использования органического топлива для энергетических и транспортных потребностей человечества. В самом деле, подобные электродвигатели, возможно, соединить на одном валу с генераторами небольшой мощности и получить самопитаемую систему! Только для запуска требуется аккумулятор. А ведь есть еще и разработки безтопливных генераторов, которые могут использоваться совместно с электродвигателями данного типа. При этом возникает большая экономия, так как требуется генератор гораздо меньшей мощности. Совместное использование БТГ и описанных электродвигателей позволит в ближайшем будущем выпускать абсолютно автономные электромобили, способные двигаться без всякого топлива до тех пор, пока не износятся механически. На таком принципе можно строить большинство известных сегодня транспортных средств. В том числе и самолеты, и даже космические аппараты, ведь есть варианты и электрических полевых устройств, создающих тягу без отбрасывания массы. Это совершенно новая эра в истории человечества и трудно даже предположить последствия применения подобных конструкций.

Двигатель прост по конструкции и недорог.

Отличие от существующих двигателей небольшое. Но при этом, предлагаемый двигатель будет потреблять в несколько раз меньшую мощность, чем равный ему по характеристикам промышленный.

КПД двигателя не превысит 100% , это невозможно. Просто он гораздо эффективнее преобразует электрическую энергию в механическую. Обычные электродвигатели , имеют самый высокий КПД только в узком диапазоне нагрузок, но и при этом он очень далек от указываемого производителем.

Проведенные практические опыты показали, что на единицу израсходованной электрической энергии, новый двигатель , сможет выработать в несколько раз большую механическую мощность. Испытание макета двигателя полностью подтвердило теорию. Выходная, механическая мощность, в три раза превысила, потребляемую электрическую. Для эксперимента был изготовлен один из самых простых и неэффективных вариантов двигателя . Данный двигатель разместили на одной раме с автомобильным генератором от автомобиля «Жигули», соединив клиноременной передачей их шкивы. Двигатель питался от сети 220 вольт. Для управления двигателем был использован механический коммутатор, а не электронный, что также значительно снизило эффективность его работы. В качестве нагрузки генератора использовались автомобильные лампы. При этом потребляемая двигателем мощность (по постоянному току) составила 140 ватт. Измерив мощность на выходе генератора на лампочках(тоже по постоянному току), получили 160 ватт электрической мощности. Известно, что автомобильные генераторы имеют КПД, не превышающий 60%, поэтому механическая мощность на валу двигателя была значительно выше, чем электрическая на выходе генератора. К сожалению, не было возможности достать на 220 вольт необходимой мощности и проверить устройство в режиме самозапитки. А от того генератора, что использовался, это было невозможно. Но и в этом виде, испытания показали, что возможно получение большей механической мощности, чем затрачено электрической. Используя электронный Блок Управления двигателем , можно значительно улучшить параметры. Исследования на другом макете(электромагнитных взаимодействий) показало, что реально достичь отношения входная электрическая/выходная механическая мощность 1/20, а немного усложнив конструкцию, показатели можно улучшить в несколько раз.

Инструкция

Определение КПД двигателя внутреннего сгоранияНайдите в технической документации мощность данного двигателя внутреннего сгорания . Залейте в него топливо, это может быть бензин или дизельное топливо, и заставьте проработать на максимальных оборотах некоторое время, которое замеряйте с помощью секундомера, в секундах . Слейте остатки и определите объем сгоревшего топлива, отняв от первоначального объема конечный. Найдите его массу, умножив объем, переведенный в м³, на его плотность в кг/ м³.

Для определения КПД мощность двигателя умножьте на время и поделите на произведение массы затраченного топлива на его удельную теплоту сгорания КПД =P t/(q m). Чтобы получить результат в процентах , получившееся число умножьте на 100.

Если нужно измерить КПД двигателя автомобиля, а мощность его неизвестна, но известна масса, для определения полезной работы разгонитесь на нем из состояния покоя до скорости 30 м/с (если это возможно), измерив массу затраченного топлива. Затем массу автомобиля умножьте на квадрат его скорости, и поделите на удвоенное произведение массы затраченного топлива на удельную теплоту его сгорания КПД =М v²/(2 q m).

Определение КПД электродвигателя Если известна мощность электродвигателя , то подключите его к источнику тока с известным напряжением, добейтесь максимальных оборотов и тестером , измерьте ток в цепи. Затем мощность поделите на произведение силы тока и напряжения КПД =P/(I U).

Если мощность двигателя неизвестна, прикрепите к его валу шкив, и поднимите на известную высоту, груз известной массы. Измерьте тестером напряжение и силу тока на двигателе , а так же время подъема груза. Затем произведение массы груза на высоту подъема и число 9,81 поделите на произведение напряжения, силы тока и времени подъема в секундах КПД =m g h/(I U t).

Обратите внимание

Во всех случаях КПД должен быть меньше 1 в дольных величинах или 100 %.

Чтобы найти коэффициент полезного действия любого двигателя , нужно полезную работу поделить на затраченную и умножить на 100 процентов. Для теплового двигателя найдите данную величину по отношению мощности, умноженной на длительность работы, к теплу, выделившемуся при сгорании топлива. Теоретически КПД теплового двигателя определяется по соотношению температур холодильника и нагревателя. Для электрических двигателей найдите отношение его мощности к мощности потребляемого тока.

Вам понадобится

• паспорт двигателя внутреннего сгорания (ДВС), термометр, тестер

Инструкция

Определение КПД ДВС Найдите в технической документации данного конкретного двигателя его мощность. Залейте в его бак некоторое количество топлива и запустите двигатель, чтобы он проработал некоторое время на полных оборотах, развивая максимальную мощность, указанную в паспорте. С помощью секундомера засеките время работы двигателя , выразив его в секундах. Через некоторое время остановите двигатель, и слейте остатки топлива. Отняв от начального объема залитого топлива конечный объем, найдите объем израсходованного топлива. Используя таблицу , найдите его плотность и умножьте на объем, получив массу израсходованного топлива m=ρ V. Массу выразите в килограммах. В зависимости от вида топлива (бензин или дизельное топливо), определите по таблице его удельную теплоту сгорания. Для определения КПД максимальную мощность умножьте на время работы двигателя и на 100%, а результат последовательно поделите на его массу и удельную теплоту сгорания КПД =P t 100%/(q m).

Для идеальной тепловой машины , можно применить формулу Карно. Для этого узнайте температуру сгорания топлива и измерьте температуру холодильника (выхлопных газов) специальным термометром. Переведите температуру, измеренную в градусах Цельсия в абсолютную шкалу, для чего к значению прибавьте число 273. Для определения КПД от числа 1 отнимите отношение температур холодильника и нагревателя (температуру сгорания топлива) КПД =(1-Тхол/Тнаг) 100%. Данный вариант расчета КПД не учитывает механическое трение и теплообмен с внешней средой.

Определение КПД электродвигателя Узнайте номинальную мощность электродвигателя , по технической документации. Подключите его к источнику тока, добившись максимальных оборотов вала, и с помощью тестера измерьте значение напряжения на нем и силу тока в цепи. Для определения КПД заявленную в документации мощность, поделите на произведение силы тока на напряжение, результат умножьте на 100% КПД =P 100%/(I U).

Видео по теме

Обратите внимание

Во всех расчетах КПД должен быть меньше 100%.

Некоторым автомобилистам со временем надоедает ездить на стоковом автомобиле. Поэтому они начинают тюнинговать своего железного, то есть вносить те или иные иные изменения в техническую конструкцию, чтобы таким образом увеличить возможности автомобиля. Однако после модернизации нужно знать, сколько мощности прибавилось. Как же измерить мощность двигателя?

Вам понадобится

Инструкция

Есть несколько способов, как измерить мощность двигателя. Сразу же стоит отметить, что все являются неточными, то есть имеют некую погрешность. Можно установить специальное электронное оборудование, которое будет следить за параметрами работы вашего двигателя в режиме онлайн . Такое оборудование имеет среднюю погрешность. Однако у него есть минус — его большая стоимость. Также ноутбук . Загрузите программу. Необходим будет проехать несколько раз на разной скорости. Программа запомнит показатели, а потом автоматически вычислит мощность силового агрегата и укажет погрешность вычислений.

Самый точный способ измерить мощность двигателя — загнать автомобиль на динамометрический стенд. Для этого необходимо найти сервис, в котором имеется такая установка. Загоните ваш автомобиль на стенд передом к вентилятору. Колеса должны быть ровно между двух барабанов. Закрепите специальные ремни за несущую конструкцию авто. Подключите аппаратуру к машине через диагностический разъем. На выхлопную трубу наденьте гофрированный каркас, который будет выводить газы из бокса. Включите вентилятор, который будет имитировать сопротивление встречного воздуха. Теперь нужно максимально разогнать автомобиль. Параллельно следите за состоянием соединяющих ремней. Сделайте несколько попыток, чтобы исключить вероятность ошибки . После каждой попытки компьютер выдаст вам распечатку, где будет указана максимальная скорость и мощность.

Видео по теме

Эффективный коэффициент полезного действия двигателя

§38. Мощность и коэффициент полезного действия электрических машин

Потери мощности в электрических машинах. Преобразование
механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе сопровождается некоторыми потерями энергии, которые выделяются в виде тепла, нагревая электрическую машину.

Энергетические диаграммы генератора и двигателя (рис. 145) наглядно показывают баланс мощности в этих машинах. Как видно из них, при работе электрической машины возникают потери мощности: электрические, магнитные, механические и добавочные.

Электрические потери ?Р_эл появляются в результате того, что каждая обмотка (в машине постоянного тока обмотки якоря, возбуждения, добавочных полюсов и компенсационная) обладает определенным сопротивлением, препятствующим прохождению по ней электрического тока. Как было показано в § 13, они пропорциональны сопротивлению данной обмотки и квадрату протекающего по ней тока, т. е. сильно возрастают с увеличением нагрузки машины. Электрические потери вызывают нагрев проводов обмоток. К электрическим потерям относятся также потери, возникающие при протекании тока через щетки и через переходное сопротивление между щетками и коллектором; они вызывают нагрев коллектора и щеток.

Магнитные потери ?Р_М (потери в стали) возникают в сердечниках якоря и полюсов (главным образом, в полюсных наконечниках) в результате перемагничивания стали этих сердечников и образования в них вихревых токов. Перемагничивание стали сердечника якоря происходит потому, что при вращении якоря каждая его точка попеременно проходит то под северным, то под южным полюсам. Перемагничивание стали полюсных наконечников вызывается в результате изменения магнитной индукции в воздушном зазоре машины в пределах ±?В при вращении зубчатого якоря (рис. 146). При этом в прилегающих к зазору ферромаг-

Рис. 145. Энергетические диаграммы машины постоянного тока при работе ее в режиме генератора (а) и электродвигателя (б)

нитных элементах магнитной системы (полюсных наконечниках и зубцах якоря) индуцируются вихревые токи, изменяющиеся с высокой частотой (1000 Гц и более) и сосредоточенные, главным образом, на их поверхности. Поэтому потери мощности, созданные этими токами, называют поверхностными.

В машинах, имеющих зубцы на статоре и роторе (машины постоянного тока с компенсационной обмоткой, асинхронные и синхронные), при вращении ротора создаются заметные пульсации индукции в зубцах, что также приводит к образованию вихревых токов и соответствующим потерям мощности. Эти потери называют пульсационными. Магнитные потери возникают также и в стальных бандажах, укрепляющих обмотку якоря, которые при вращении якоря пересекают силовые линии магнитного поля машины. Магнитные потери вызывают нагрев сердечника якоря и полюсов, они почти не зависят от нагрузки машины, но резко возрастают с увеличением частоты перемагничивания, т. е. частоты вращения якоря.

Механические потери ?P_МХ возникают в результате трения: в подшипниках, щеток по коллектору, деталей машины о воздух в процессе вентиляции. Эти потери вызывают нагрев подшипников, коллектора и щеток, с увеличением нагрузки они возрастают незначительно. При повышении частоты вращения якоря электрической машины механические потери резко возрастают.

Добавочные потери ?P_доб обусловливаются различными вторичными явлениями, имеющими место при работе электрических машин под нагрузкой: возникновением вихревых токов в проводниках обмотки якоря, неравномерным распределением тока по сечению проводников и индукции в воздушном зазоре машины, воздействием коммутационных токов (в машинах постоянного тока) и переменных потоков рассеяния (в машинах переменного тока), которые индуцируют вихревые токи в крепежных деталях, и др.

При работе электрической машины под нагрузкой ее проводники, лежащие в пазах ротора и статора, пронизываются продольным и поперечным пазовыми потоками (рис. 147). При вра-

Рис. 146. Распределение индукции в воздушном зазоре машины с зубчатым якорем

Рис. 147. Схема возникновения продольных (а) и поперечных (б) потоков

Рис. 148. Вытеснение тока в верхнюю часть проводников обмотки якоря (а) и распределение плотности тока ?i по их высоте h (б)

щении якоря эти потоки индуцируют в проводниках вихревые токи, так как якорь, непрерывно перемещаясь, проходит под различными полюсами, вследствие чего все время изменяются и пронизывающие его продольный и поперечный пазовые потоки. То же происходит и при изменении тока в проводниках, т. е. нагрузки машины.

Вихревые токи не только увеличивают электрические потери в проводниках обмоток, но и приводят к неравномерному распределению тока по сечению проводников, вызывая вытеснение тока в более удаленные от дна паза слои. Это явление возникает из-за действия индуцируемых поперечными пазовыми потоками э. д. с. самоиндукции e_L (рис. 148, а), которые стремятся противодействовать прохождению по проводникам тока нагрузки i_я. В нижних слоях каждого проводника индуцируются большие э. д. с. e_L, чем в верхних, так как их охватывает большое количество силовых магнитных линий (от нижней части паза до рассматриваемого слоя). Поэтому ток, проходящий по проводникам, несколько вытесняется в верхнюю часть и плотность тока ?i, этой части увеличивается (рис. 148,б). В этом отношении условия прохождения постоянного тока по проводникам обмотки якоря аналогичны условиям прохождения переменного тока, который, как это будет подробно рассмотрено ниже, всегда стремится проходить по наружным слоям проводника. Неравномерное распределение тока по поперечному сечению проводника создает добавочные потери мощности, так как при этом как бы уменьшается площадь поперечного сечения и увеличивается электрическое сопротивление проводников.

Для уменьшения добавочных потерь, связанных с этим явлением, в тяговых двигателях стремятся уменьшить высоту проводников обмотки якоря. Для этого проводники разделяют по высоте паза на две-три параллельно соединенные части (рис. 149, а) или располагают их в пазах плашмя (рис. 149,б). При разделении проводников на несколько частей каждую из них изолируют отдельно, для того чтобы вихревые токи замыкались только в пределах одной части.

Коэффициент полезного действия. Соотношение между потребляемой и отдаваемой машиной мощностями характеризуется коэффициентом полезного действия:

для генератора

? = P_эл/P_мх = P_эл/(P_эл+?P)

для двигателя

? = P_мх/P_эл = P_мх/(P_мх+?P)

где ?Р — суммарные потери мощности.

К. п. д. стационарных машин постоянного тока колеблется в зависимости от мощности машины в пределах от 0,75 до 0,95 (машины большой мощности имеют более высокий к. п. д.). К. п. д. тяговых двигателей составляет 0,86—0,92, к. п. д. тепловозных генераторов — 0,92—0,94.

При изменении нагрузки отдельные виды потерь изменяются по-разному. Электрические потери ?Р_эл в обмотках, по которым проходит ток нагрузки I_я (обмотках якоря, добавочных полюсов и компенсационной), изменяются пропорционально I_я, электрические потери в щеточном контакте ?Р_щ.эл — пропорционально I_я, а магнитные ?Р_м и механические ?Р_мх остаются практически постоянными — такими же, как и при холостом ходе, если напряжение машины U и частота ее вращения п не изменяются. По этому принципу все виды потерь можно разделить на две группы: постоянные потери ?P_пост = ?Р_м +?Р_мх и переменные ?Р_пер = ?Р_эл + ?Р_{щ. эл}, которые можно считать пропорциональными квадрату тока нагрузки I_я² (обычно значение потерь ?Р_щ.эл мало по сравнению с ?Р_эл) .

Формула для определения к. п. д. принимает вид

? = P₂/P₁ = P₂ / (P₂+?Р_пер+?P_пост)

где

Р₂ — полезная мощность, отдаваемая машиной (Р_ЭЛ в генераторах и Р_МХ— электродвигателях) ;

P₁ — потребляемая машиной мощность.

При холостом ходе полезная мощность Р₂ = 0, поэтому к. п. д. тоже равен нулю (рис. 150). При малых нагрузках магнитные и механические потери, оставаясь постоянными, имеют относительно большое значение по сравнению с полезной мощностью и к. п. д. незначителен. В дальнейшем с увеличением нагрузки полезная мощность Р₂ и к. п. д. увеличиваются и при некотором значении Р_2кР к. п. д. достигает максимального значения. Этот режим соответствует равенству ?P_пост = ?Р_пер (точка А на рис. 150). Обычно максимум к. п. д. имеет место при 75—85 % номинальной мощности. При дальнейшем возрастании нагрузки к. п. д. начинает падать, так как рост электрических потерь, пропорциональный квадрату

Рис. 149. Вертикальное (а) и горизонтальное (б) размещение проводников обмотки якоря в пазах

Рис. 150. Зависимости к.п.д. и потерь мощности от полезной мощности

тока нагрузки I²_я, начинает превышать прирост полезной мощности, пропорциональный только первой степени от этого тока.

В зависимости от назначения локомотива целесообразно, чтобы максимальное к. п. д. электродвигателей было при различных нагрузках. Это обеспечивают при проектировании благодаря перераспределению отдельных видов потерь мощности. Например, для тяговых двигателей электропоездов, работающих в условиях частых пусков с большими токами, выгоднее, чтобы максимальный к. п. д. располагался в зоне больших нагрузок, что достигают путем снижения электрических потерь. Для двигателей электровозов и тепловозов, работающих преимущественно при токах, меньших номинального, стремятся, чтобы максимальный к. п. д. находился в зоне средних токов. Добиться этого можно уменьшением магнитных и механических потерь.

Нагревание электрических машин. Нагрузочная способность электрических машин в большинстве случаев определяется условиями нагревания, так как повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины при длительных нагрузках. С увеличением нагрузки возрастают потери энергии в машине, увеличивается количество выделяющегося тепла и при чрезмерной нагрузке температура отдельных ее частей может превысить допустимые пределы.

Процессы нагревания и охлаждения в электрических машинах всех типов подчиняются общим законам, так как любую электрическую машину можно в первом приближении рассматривать как некоторое однородное тело. Тепло, выделяющееся в электрической машине, частично затрачивается на повышение температуры машины, а частично отдается в окружающую среду. Чем больше превышение температуры машины 8 над температурой окружающей среды, тем энергичнее идет теплоотдача, поэтому при некотором определенном превышении температуры устанавливается тепловое равновесие; в машине выделяется столько тепла, сколько она отдает в окружающую среду.

Превышение температуры, при котором наступает тепловое равновесие, называется установившимся превышением температуры ??. После достижения теплового равновесия машина может работать при данной нагрузке сколь угодно долгое время без дальнейшего повышения температуры.

При увеличении нагрузки машины возрастают потери мощности АР и количество выделяемого тепла, а также повышается значение ?_?. Следовательно, чем больше мощность, отдаваемая машиной, тем выше ее температура. При снятии нагрузки температура машины постепенно снижается.

Для более наглядного представления о характере изменения превышения температуры ? во времени по опытным данным строят кривые нагревания и охлаждения электрических машин.

В процессе нагревания и охлаждения превышение температуры машины ? над температурой окружающей среды изменяется. При нагревании (например, при увеличении нагрузки) величина ? возрастает (кривая 1 на рис. 151, а) от некоторого начального значения ?₀, постепенно приближаясь к установившемуся значению ?_?1. При охлаждении (например, при уменьшении нагрузки) величина ? уменьшается (кривая 2) до другого установившегося значения ?_?2.

Температура, при которой может нсрмально работать электрическая машина, строго ограничена теплостойкостью ее деталей. Особенно чувствительны к повышению температуры изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, в частности, изоляция проводов их обмоток. Поэтому тепловое равновесие в машине должно устанавливаться при такой температуре, которая не вызывает разрушение изоляции, однако постепенный износ изоляции (ее старение) неизбежен. Чем выше допустимая предельная температура отдельных частей, тем меньше срок службы электрической машины вследствие старения ее изоляции и тем менее надежна она в эксплуатации. С другой стороны, чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную машину. Государственными стандартами на электрические машины установлены предельные значения температуры отдельных их деталей. Эти температуры выбраны на основании опытов. Их соблюдение позволяет обеспечить длительную (примерно 15—20 лет) и надежную работу машины при хорошем использовании материалов.

Нормируются превышения температуры различных частей электрической машины по отношению к температуре окружающей среды. Предельные превышения температуры определяются теплостойкостью изоляции, применяемой в электрической машине (классом изоляции, см. главу X).

Мощности продолжительного и часового режимов. В паспорте стационарных электрических машин обычно указывают их номинальную мощность продолжительного режима P_?, т. е. такую мощность, которую машина может отдавать неограниченно долго, не перегреваясь ни в одной своей части свыше значений ?мах, допускаемых нормами. При работе машины в режиме номинальной мощности ?_?1 = ? _max (рис. 151,б) тепловое равновесие практически достигается через 3—6 ч.

Рис. 151. Кривые нагревания и охлаждения электрической машины

Номинальная мощность P_? зависит от теплостойкости применяемой изоляции и интенсивности охлаждения. Чем выше интенсивность охлаждения, тем большую мощность можно получить от данной машины без недопустимого превышения ее температуры. Поэтому в большей части электрических машин применяют принудительное охлаждение внутренних деталей воздухом, прогоняемым посторонним вентилятором (при независимой вентиляции) или вентилятором, насаженным на вал самой машины (при самовентиляции).

Таким образом, основными мероприятиями, обеспечивающими увеличение мощности, которую можно получить от электрических машин, является применение более теплостойкой изоляции и усиление интенсивности их охлаждения. Эти меры широко применяют в электромашиностроении, благодаря их использованию удалось в течение последних 50 лет уменьшить примерно в 2—4 раза массу и размеры электрических машин одинаковой мощности.

При работе машины с мощностями Р₂ и Р₃, большими, чем P_? (с перегрузкой), величины ?_?2 и ?_?3 будут больше максимально допустимого значения ?_max (см. рис. 151,б). Следовательно, длительная работа машины при таких мощностях недопустима и время ее работы должно быть ограничено соответственно значениями t₂ и t₃. При этом перегрузка должна быть снята прежде, чем температура машины достигнет предельного значения. Чем больше перегрузка, тем быстрее возрастает температура и тем скорее она достигает предельного значения. Поэтому небольшие перегрузки электрические машины могут выдерживать сравнительно длительное время, большие же перегрузки должны быть кратковременными.

При работе тяговых двигателей режим их нагрузки резко меняется в зависимости от профиля пути и массы поезда; эти условия работы тяговых двигателей не позволяют характеризовать их работоспособность одним значением номинальной мощности P_?. Поэтому наряду с номинальной длительной мощностью для характеристики тяговых двигателей используют также понятия часовой и максимальной мощностей. Часовой мощностью Р_ч (мощностью часового режима) называется мощность, при которой машина может работать в течение 1 ч с нормально действующей вентиляцией от холодного состояния, не перегреваясь свыше предельной температуры. Эта мощность, так же как и P_?, ограничивается условиями нагревания машины, она позволяет судить о временной перегрузочной способности двигателя. Токи, соответствующие номинальным мощностям P_? и Р_ч, называются продолжительным и часовым токами тягового двигателя. В паспортах тяговых двигателей указывают обычно их часовую мощность.

Наибольшей мощностью тягового двигателя называется мощность, которую он может кратковременно отдавать (в течение 1 мин) без недопустимого искрения под щетками и возникновения кругового огня; следовательно, она ограничивается условиями коммутации машины. Отношение максимальной мощности к часовой называют коэффициентом перегрузки, или перегрузочной способностью машины. По стандарту на тяговые двигатели коэффициент перегрузки их должен быть не менее двух. Отношение P_?/Р_ч характеризует интенсивность вентиляции двигателя и называется коэффициентом вентиляции. У современных тяговых машин с независимой вентиляцией этот коэффициент составляет 0,8—0,9.

В эксплуатации работа тяговых двигателей с часовой мощностью может иметь место при движении поезда на подъемах. На руководящих подъемах, движение по которым продолжается менее получаса, реализуется мощность несколько большая, чем часовая. При движении на наибольших незатяжных подъемах мощность двигателей может превышать часовую на 10—15 %. При пуске электровозов и тепловозов токи тяговых двигателей могут превышать часовой ток на 60—80 %.

Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания

Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания невероятно неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют теплового КПД даже 50%. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, меньше половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.

А автомобили с бензиновым двигателем еще на более неэффективны, значительно менее эффективны.

Может показаться, что транспортное средство, которое преобразует только 50% тепловой энергии, производимой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, но многие транспортные средства на дорогах фактически тратят около 80% энергии, производимой при сгорании топлива. Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% производимой энергии из выхлопной трубы или теряют эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.

Причины такой неэффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловую эффективность — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.

«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) путем сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс выделяет тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию », — сообщает X-Engineer.org. Но большая часть производимой энергии теряется.Большая часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.

Хотя даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют довольно длинного объяснения термодинамики, объяснение длины подачи Twitter легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом вне двигателя определяет тепловой КПД — т.е. неэффективность двигателя внутреннего сгорания.

Что такое термический КПД и каковы законы термодинамики

КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД. Термический КПД является следствием термодинамики. Существует как определение, так и формула теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «Тепловая эффективность — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».

Строгое определение термического КПД, согласно Словарю Мерриама-Вебстера, это «отношение тепла, используемого тепловым двигателем, к общему количеству единиц тепла в потребляемом топливе». Более практичное определение термического КПД непрофессионала состоит в том, что количество энергии, производимой при сжигании топлива двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества этой энергии, которая становится механической.

Формула теплового КПД, однако, может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия — это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, подаваемого в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на входные данные является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое затрачивается на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, двигателей с поршнями.

Есть два закона термодинамики, которые определяют тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.

Первый закон термодинамики

Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, выход энергии не может превышать вложенную энергию. Другими словами, энергия, производимая двигателем — будь то потеря энергии или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше, чем энергетический потенциал топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Первый закон термодинамики интуитивно понятен.Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги как метафору первого закона термодинамики, вы не можете получить более четырех четвертей из доллара.

Хотя первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону термодинамики, 100% тепловой КПД достичь невозможно.

Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать в работу около 100% подводимого тепла. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло.”

Чрезвычайно большой процент энергии, производимой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии — причина того, что двигатель нагревается. Нагрев двигателя происходит за счет теплопроводности. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, нагреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.

Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выдувает выхлоп, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.

Тепло — энергия — потери и теорема Карно

Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии.Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — это факт, доказанный теоремой Карно.

Предел Карно — это количество энергии, производимой во время сгорания, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже предел Карно .

Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?

Тепловой КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. Несмотря на то, что есть компании, предпринимающие шаги по повышению теплового КПД бензиновых двигателей, добиться даже соответствия КПД сгорания более старым дизельным двигателям крайне сложно. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить тепловую эффективность своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сжигаемого топлива в полезную энергию.Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД.

Diesel обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, максимальный тепловой КПД которого, по утверждению компании, составляет 38 процентов, тепловой КПД «выше, чем у любого другого массового двигателя внутреннего сгорания».”

Другой взгляд на термическую эффективность — это затраты на топливо. На каждый доллар бензина, приобретенный человеком, почти 80 центов теряется в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически продвигают бензиновый двигатель. Хотя все еще шокирующе низко, даже обычные дизельные двигатели тратят на механическое использование не менее 40 центов за доллар.

Хотя 60 центов на каждый доллар дизельного топлива теряются из-за тепловой неэффективности, это все равно вдвое лучше, чем у среднего бензинового двигателя.

Почему тепловой КПД дизельного двигателя выше, чем у бензинового двигателя

В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, тогда как дизельные двигатели могут достигать теплового КПД почти 50%. «Двигатели с искровым зажиганием, производимые в настоящее время, работают с тепловым КПД тормозов (BTE) около 30–36% [12], двигатели с воспламенением от сжатия уже давно признаны одним из самых эффективных силовых агрегатов, нынешние BTE дизельных двигателей могут достичь до 40–47%.

Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сжигании обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сжиганием обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи со стороны дорогой гибридной системы.”

Тепловой КПД и степень сгорания

В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда он достигает точки, где топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.

Степень сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8: 1 до 12: 1. «Если компрессия бензинового двигателя выше 10,5, если только октановое число топлива не высокое, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, в отличие от сжатия в результате воздействия искры.

Дизельные двигатели имеют гораздо более высокую степень сжатия. На то есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели — это двигатели сжатия.Сжатие — это то, что заставляет дизельное топливо в камере сгорания взорваться. В двигателе сжатия нет искры, которая воспламеняет дизель. Кроме того, дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия, поскольку дизельное топливо является более стабильным топливом. Для зажигания дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14: 1 до 25: 1.

Решения для повышения эффективности двигателя

Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения теплового КПД двигателя. Конструктивные ограничения и технологические ограничения не позволяют владельцам вносить существенные улучшения в транспортное средство с точки зрения термической эффективности. Тем не менее, — можно улучшить в отношении эффективности сгорания.

Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, в отношении тяжелого топлива с высокой плотностью энергии — дизельного топлива, мазута, бункерного топлива и т. Д. — существуют доступные технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания.Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводорода, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.

Топливо с низкой плотностью энергии, такое как бензин и природный газ, обычно имеет постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелым топливом, поскольку оно состоит из более мелких короткоцепочечных углеводородных молекул. Но более крупные и длинные углеводородные молекулы и цепочки молекул в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха.Без воздуха углеводороды не загорятся.

Топливные катализаторы — одно из самых простых средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в благородных металлах разрушают топливные кластеры, деполяризуя присущие им заряды, которые заставляют углеводороды объединяться.

Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания и, следовательно, топливную эффективность на внедорожных транспортных средствах на 3-8%. На тяжелой технике повышение эффективности использования топлива еще более резкое.При добавлении топливного катализатора Rentar в топку или котел, работающие на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% или более.

Несмотря на то, что трудно предотвратить потери энергии, присущие всем двигателям внутреннего сгорания, все же можно повысить топливную эффективность. Пока мы не сможем производить двигатели с более высоким тепловым КПД, лучшее, что мы можем сделать, — это повысить КПД сгорания.

Efficiency — Energy Education

Слово может иметь множественные и неоднозначные значения в повседневном языке, но в науке они имеют точные значения. Эффективность в физике (и часто в химии) — это сравнение выходной энергии с подводимой в данной системе. Он определяется как процентное отношение выходной энергии к входной энергии, определяемое уравнением:

Это уравнение обычно используется для представления энергии в виде тепла или мощности.

«Эффективность» часто путают с «эффективностью», и при анализе энергетических систем следует понимать, что эти два понятия отличаются друг от друга. Энергоэффективность измеряет, сколько система извлекает из потока топлива или первичной энергии, которую она использует. Если энергетическая система эффективна, она использует эту энергию для достижения правильной цели. Например, автомобиль является очень эффективным средством передвижения, поскольку он может перемещать людей на большие расстояния и в определенные места. Однако автомобиль может не очень эффективно перевозить людей из-за того, как он использует топливо. ^[2]

Типы эффективности

Тепловой КПД

Эффективность очень часто используется в науке для описания эффективности теплового двигателя и называется термической эффективностью. ^[3] Этот КПД описывает, сколько работы двигатель может получить от используемого топлива. Согласно второму закону термодинамики, известному как КПД Карно, существуют верхние пределы того, насколько эффективными могут быть двигатели. Этот КПД Карно зависит только от температуры источника тепла и поглотителя холода и предназначен для идеального (невозможного) двигателя, у которого нет изменения энтропии. Хотя такой двигатель максимизирует эффективность , с точки зрения эффективности он ужасно непрактичен, поскольку его идеализированные процессы требуют много времени для выполнения значительного объема работы. По словам Шредера, «не беспокойтесь об установке двигателя Карно в свой автомобиль; хотя это увеличит расход топлива, вас будут обгонять пешеходы». ^{[4] [5]}

Эффективность передачи электроэнергии

Электроэнергия имеет тенденцию терять энергию в электрической сети, поскольку она передается из одного места в другое, в зависимости от величины электрического тока, конкретных проводников и длины линии передачи.По мере увеличения напряжения эти потери значительно снижаются из-за их связи с током. Типичные потери от электростанции для пользователя в их доме составляют от 8% до 15%. ^[6]

КПД ветряной турбины

Ветровые турбины ограничены максимальным теоретическим КПД 59,3%, который известен как предел Беца. ^[7] Этот закон получен путем анализа сохранения массы и количества движения в потоке жидкости вокруг привода ветряной турбины. Эффективность ветряной турбины означает, сколько энергии она может получить от ветра, проходящего через роторы.

Последствия

Эффективность используется для описания энергии, которую определенная система может извлекать и использовать из своего источника энергии. К таким системам относятся силовые установки, двигатели и турбины. Любая система , использующая энергию топлива или первичного потока, имеет определенный КПД.

КПД угольных и газовых электростанций составляет от 32% до 42%. ^[8] Если электростанция имеет КПД 35%, то на каждые 100 Дж тепла от угля около 35 Дж превращается в электричество, а остальные 65 Дж — в тепло.Это тепло идет на нагревание атмосферы или, возможно, водоема, такого как река или озеро.

Это не технический сбой, а ограничение, установленное термодинамикой, с максимальной эффективностью таких установок, определяемой КПД Карно. Чем ниже эффективность таких электростанций, тем более пагубное воздействие они оказывают на окружающую среду, поскольку для удовлетворения энергетических потребностей необходимо использовать больше этих видов топлива. Возможность повышения эффективности является предметом текущих исследований, в первую очередь из-за того, что возможность повышения эффективности снизит воздействие на окружающую среду от использования энергии и уменьшит потребности в ресурсах в будущем.Наряду с эффективностью для окружающей среды и здоровья людей важно, чтобы подходящие виды топлива были доступны.

Когенерационные установки используют отходящее тепло электростанций и других тепловых систем (например, двигатель автомобиля с обогревателем) для питания других частей системы, тем самым повышая общий КПД. ^[9]

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ Сделано внутри группы разработчиков Encyclopedia
2. ↑ Diffen, Эффективность и эффективность [Онлайн], Доступно: http: // www. diffen.com/difference/Effectiveness_vs_Efficiency
3. ↑ Р. Вольфсон, «Энтропия, тепловые двигатели и второй закон термодинамики» в «Энергия, окружающая среда и климат» , 2-е изд., Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, 2012, гл. 4, сек. 7. С. 81-84.
4. ↑ Hyperphysics, Цикл Карно [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
5. ↑ McMaster Physics and Astronomy, Цикл Карно [Online], Доступно: http: // www.Physics.mcmaster.ca/~morozov/3K03/Lecture9.pdf
6. ↑ IEC, ЭФФЕКТИВНАЯ ПЕРЕДАЧА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ [Онлайн], Доступно: http://www.iec.ch/about/brochures/pdf/technology/transmission.pdf
7. ↑ Программа WindPower, The Betz limit [Online], Доступно: http://www.wind-power-program.com/betz.htm
8. ↑ Bright Hub Engineering, Эффективность различных типов электростанций [Онлайн], Доступно: http: //www.brighthubengineering.ru / электростанции / 72369-сравнить-эффективность-разных-электростанций /
9. ↑ Forbes, Самые эффективные электростанции [Онлайн], Доступно: http://www. forbes.com/2008/07/03/energy-efficiency-cogeneration-biz-energy_cx_jz_0707efficiency_horror.html

Thermal Efficiency — Определение тепловой эффективности

Термический КПД цикла Ренкина

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве тепловых электростанций .Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ, а также ядерное деление .

Атомная электростанция (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция с одним исключением. Источником тепла на АЭС является ядерный реактор . Как обычно на всех традиционных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электричество.

Обычно на большинстве из атомных электростанций эксплуатируются многоступенчатых конденсационных паровых турбин . В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (этот пар является почти насыщенным паром — x = 0,995 — точка C на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6 ° C) от парогенератора и выпускает его в сепаратор-подогреватель влаги ( точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждения лопаток паровой турбины паром низкого качества. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F).Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), как правило, с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) эта тепловая машина имела бы КПД Карно

= 1 — T _{холодный} / T _{горячий} = 1 — 315/549 = 42.6%

, где температура горячего резервуара составляет 275,6 ° C (548,7 K), температура холодного резервуара составляет 41,5 ° C (314,7 K). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы почему-то необратимы. Они не делаются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и тепловые потери вызывают дополнительные потери эффективности.

Для расчета теплового КПД простейшего цикла Ренкина (без повторного нагрева) инженеры используют первый закон термодинамики с точки зрения энтальпии , а не с точки зрения внутренней энергии.

Первый закон энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении член Vdp — это последовательность операций процесса . Эта работа, Vdp , используется для систем с открытым потоком , таких как турбина или насос , в которых есть «dp» , то есть изменение давления. Изменений в контрольной громкости нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии . При постоянном давлении изменение энтальпии равно энергии , передаваемой из окружающей среды при нагревании:

Изобарический процесс (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ — H ₁

При постоянной энтропии , т. Е. В изэнтропическом процессе, изменение энтальпии равно поточной работе процесса , выполненной системой или системой:

Изэнтропический процесс (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ — H ₁

Очевидно, он будет очень полезен при анализе обоих термодинамических циклов, используемых в энергетике, т. е.е. в цикле Брайтона и цикле Ренкина.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или специфическую , изменяемую путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе больше, чем саму энтальпию. Он указан в таблицах пара вместе с удельным объемом и удельной внутренней энергией. Тепловой КПД такого простого цикла Ренкина с точки зрения удельных энтальпий составит:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД вы можете использовать данные из таблиц пара .

На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому 3000 МВт тепл. тепловой энергии от реакции деления необходимо для выработки 1000 МВт электроэнергии. Причина кроется в относительно низкой температуре пара ( 6 МПа, ; 275,6 ° C). Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара ° C. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов.Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел такого давления. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% — это немного. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо намного проще, чем вырабатывать энергию из ядерного топлива. Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые работают при критическом давлении (т.е. ниже 22,1 МПа), могут достичь КПД 36-40%.

Эффективность (физика): определение, формула и примеры

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: Эми Дусто

Эффективность — это способ описания количества полезных результатов , которые процесс или машина может генерировать, в процентах из входа , необходимого для его работы. Другими словами, он сравнивает, сколько энергии используется для выполнения работы, с тем, сколько теряется или тратится на окружающую среду. Чем эффективнее машина, тем меньше тратится энергии.

Например, если тепловой двигатель способен приводить в движение 75 процентов получаемого топлива, а 25 процентов теряется в виде тепла в процессе, это будет 75 процентов эффективности. Из 100 процентов первоначального топлива 75 процентов было произведено как полезная работа.

Тепловые двигатели

В физике термин тепловые двигатели может относиться к нескольким типам машин или процессов.Формально тепловой двигатель — это любая термодинамическая система, преобразующая тепловую энергию в механическую энергию или движение.

Базовый рецепт теплового двигателя включает в себя следующее:

• Тепловая баня или какой-либо тип высокотемпературного источника тепла
• Низкотемпературный холодный резервуар, в который отводится тепло
  
• Сам двигатель , который поглощает тепло из горячего резервуара, чтобы создать некоторую форму расширения системы, которая воздействует на окружающую среду (например, вращает двигатель), а затем выделяет тепловую энергию в холодный резервуар, когда он возвращается в исходное состояние.
  

Например, в автомобиле горящее топливо является источником тепла, среда вокруг автомобиля представляет собой резервуар холода, а двигатель внутреннего сгорания выполняет работу по преобразованию тепла в выхлопные газы, когда он перемещает поршни и вращает коленвал, позволяющий машине двигаться.

Энергоэффективность теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя — это отношение полезной работы, выполняемой системой (также называемой полезной энергией или выходной энергией системы), к тепловой энергии, добавленной к системе ( входная энергия).

Это показатель того, насколько хорошо тепловой двигатель превращает тепловую энергию в механическую работу.

Если W — работа, Q — добавленное тепло, и оба значения указаны в единицах СИ для энергии: джоулях.

Поскольку КПД — это коэффициент, он всегда выражается в процентах или как значение от 0 (нет КПД) до 1 (общий КПД — вся входная энергия преобразуется в полезную выходную мощность). Эффективность никогда не может быть больше 1 или 100 процентов, потому что это нарушило бы закон сохранения энергии, если бы количество выходной энергии было больше, чем вложенная энергия! Это означало бы, что энергия создается из ничего, что невозможно в этой вселенной.

КПД Карно

Цикл Карно — это термодинамический цикл максимально возможной эффективности. Поскольку в природе нет полностью обратимых процессов — часть энергии всегда теряется в виде тепла благодаря второму закону термодинамики — цикл Карно описывает идеальный тепловой двигатель . Другими словами, никто не мог его построить.

Ценность цикла Карно заключается в установке верхних границ того, насколько эффективным может быть любой действующий двигатель. Она выражается в терминах T _h и T _c , температуры резервуаров горячей и холодной энергии, соответственно, оба в единицах СИ в Кельвинах.

Его также можно выразить через Q _h и Q _c , добавленное тепло и отдаваемое тепло, соответственно, в джоулях.

КПД Карно — обзор

4.5 Транспортировка

Автомобильные двигатели имеют КПД Карно около 60%, но на практике КПД составляет около 25%. Пока двигатель внутреннего сгорания (Отто) продолжает использоваться, значительное повышение эффективности маловероятно, но все же возможна значительная дополнительная экономия.Альтернативы включают электромобили и автомобили на топливных элементах. Транспортный сектор важен, потому что на транспорт приходится 27% общего потребления энергии в Соединенных Штатах. Большая часть энергии, используемой для транспортировки, основана на нефти. Это означает, что страны-импортеры зависят от добросовестности стран-экспортеров и от их постоянной готовности поставлять нефть по относительно низким ценам. В то время как Соединенные Штаты платят одни из самых высоких цен за нефть, как потому, что отечественная нефть дороже, чем импортная, так и потому, что средняя стоимость транспортировки велика, цена бензина на заправке является одной из самых низких в мире. В основном это связано с различиями в структуре налогов между странами.

В Европе автомобили обычно меньше, чем в Соединенных Штатах, из-за более высоких цен на энергоносители, которые потребители платят за бензин и дизельное топливо (из-за высоких местных налогов). В меньших по размеру автомобилях для производства требуется меньше материалов, а из-за меньшего веса они дешевле в эксплуатации. Многие водители в Соединенных Штатах не хотят покупать маленькие автомобили, потому что они обеспокоены безопасностью (это, по-видимому, частично ответственно за бум продаж внедорожников или внедорожников).По иронии судьбы, хотя люди во внедорожниках с меньшей вероятностью погибнут или получат травмы при прямом лобовом, заднем или боковом столкновении, общий уровень смертности среди внедорожников выше, чем в небольших автомобилях, из-за большого числа смертельных случаев в авариях с опрокидыванием. относительно высокая вероятность возникновения.

Американские автомобили намного легче, чем в 1970-х годах, что является прямым результатом первого энергетического кризиса. Обычный пригородный автомобиль имеет пробег около 30 миль / галлон. Понятно, что вес большинства автомобилей можно было бы еще уменьшить.Противоположная тенденция заключается в том, что продается все больше и больше внедорожников и пикапов. Эти автомобили весят больше обычных автомобилей и, как следствие, имеют меньший пробег. К 2000 году менее половины всех транспортных средств, купленных для личного передвижения в США, были обычными автомобилями. Большой внедорожник может иметь пробег всего 17 миль / галлон, а маленький пикап — 25 миль / галлон. Причина увеличения пробега автомобилей носит законодательный характер: Конгресс принял стандарты корпоративной средней экономии топлива (CAFE) после первого энергетического кризиса, чтобы заставить производителей увеличить пробег, и это сработало.Рост количества внедорожников и пикапов порадовал производителей, потому что эти автомобили не подпадали под действие стандартов CAFE. Кроме того, низкие средние цены на энергоносители в конце 1990-х годов убаюкивали водителей, ожидая, что дешевая импортная нефть останется доступной. Политическое давление в пользу повышения стандартов CAFE ослабло, и пробег автомобилей остался на прежнем уровне. В результате в среднем автопарке американских автомобилей уменьшился пробег. Самый низкий средний пробег автопарка был достигнут примерно в 1989 году. Уменьшился пробег даже импортных автомобилей.Исходя из истории, только законодательный мандат будет успешным в увеличении пробега при отсутствии внешних угроз, таких как гигантский скачок мировых цен на нефть.

До 1970-х годов большинство американских автомобилей были заднеприводными; теперь большинство из них — передний привод, что более энергоэффективно. Большинство современных автомобильных двигателей являются более эффективными двигателями с верхним расположением распредвала. Однако гораздо больше энергии можно было бы сэкономить, продолжая искать способы уменьшения лобового сопротивления и установив передовые автоматические трансмиссии с электронным управлением.Другие меры, некоторые из которых были введены частично, включают улучшенные системы впрыска топлива, улучшенные шины, улучшенные смазочные материалы и снижение трения двигателя. Все эти меры являются хорошими мерами по сохранению, потому что они бесплатны или дешевы (низкая стоимость означает короткое время окупаемости).

Стремление Калифорнии к автомобилям, не загрязняющим окружающую среду, привело к установлению квот на автомобили с низким уровнем выбросов. Было предложено много идей для автомобилей, которые работают на электричестве или энергии, накопленной в высокотехнологичных маховиках на основе эпоксидной смолы.Большие надежды Калифорнии на так называемые автомобили с нулевым уровнем выбросов были явно неоправданными, и лишь несколько электромобилей были разработаны или произведены. Были трудности с конструкцией аккумуляторов (обычные свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы довольно много весят). Никель-металлогидридные батареи — очевидная предпочтительная технология для электромобилей. Кроме того, автомобили с батарейным питанием плохо работают при низких температурах окружающей среды, поэтому эти автомобили не распространены за пределами юго-запада. Еще один удар по автомобилям с батарейным питанием — отсутствие зарядной инфраструктуры. И такие транспортные средства на самом деле не являются выбросами с нулевым выбросом , потому что газ, нефть или уголь нужно сжигать, чтобы произвести электричество, используемое для подзарядки батарей.

Поиски Калифорнии увеличили перспективы создания гибридных транспортных средств с низким уровнем выбросов (комбинированные бензиновые двигатели и электрические системы, которые работают вместе). Гибридные функции, обеспечивающие экономию топлива, включают автоматическое выключение двигателя при остановках и рекуперативное торможение (преобразование работы, проделанной при торможении, в энергию, запасенную в батарее).В гибридах бензиновый двигатель работает только с максимальной эффективностью или близкой к ней, а избыток энергии заряжает батареи. Поскольку топливо обычное, а электрическая система перезаряжается при использовании, нет необходимости в специальной инфраструктуре, как в случае с чистой электричеством. Honda представила первый коммерческий гибрид Insight, за которым быстро последовала Toyota с Prius. Honda начала продавать гибридные модели Civic.

Топливные элементы, представляющие собой устройства, сочетающие топливо (в идеале водород) с кислородом из воздуха без горения, как ожидается, в ближайшем будущем будут снабжать автомобили энергией.Если бы водород производился электролизом с использованием солнечной энергии, такой автомобиль действительно имел бы нулевые выбросы (за пределами воды, полученной из соединения водорода и кислорода). Топливные элементы использовались в прошлом для транспортировки, но обычно жидкометаллические топливные элементы в автобусах из-за относительно высокой температуры эксплуатации (от 300 до 1200 ° C). Разработка низкотемпературных топливных элементов с протонообменной мембраной привела автопроизводителей к инженерным разработкам. Как правило, они на 50% эффективнее преобразовывают топливо в энергию, что примерно в два раза эффективнее, чем двигатели Отто. (Очень маленькие топливные элементы используются в качестве альтернативы аккумуляторным блокам в некоторых электронных устройствах.)

Вариант с топливными элементами страдает от отсутствия инфраструктуры для подачи водорода в транспортные средства и проблемы с транспортировкой водорода в достаточном количестве. Водород — это разбавленный газ, и он имеет гораздо меньшее количество энергии на единицу объема, чем жидкое топливо. Возможные решения проблемы хранения варьируются от смешивания водорода с боридами в резервуарах под давлением до хранения в виде гидридов в металлических контейнерах.Однако вопрос о хранении по-прежнему вызывает множество вопросов. В качестве альтернативы метанол (жидкость) можно химически превратить в водород, и это может быть более вероятным выбором в краткосрочной перспективе. Недостатком является наличие в выхлопном потоке углекислого газа.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ (И КОНЦЕПЦИЯ ЭНТРОПИИ)

Здесь было показано, что тепловой двигатель может никогда не будет эффективен на 100% .
Термодинамический КПД двигателя равен мера того, сколько работы выполняет по сравнению с тем, сколько энергии, которую он берет от источника энергии (здесь и далее мы скажу просто «эффективность».)
При рассмотрении эффективность тепловых двигателей, мы часто представляем двигатель символически, как показано ниже.
Мы не будем беспокоиться о (возможно, довольно сложные) механические детали самого двигателя.
По этой причине он представлен просто круг.
Мы просто рассмотрим потоки энергии в и из двигателя.
Мы предполагаем, что двигатель работает в цикл, повторяя одни и те же действия снова и снова.
Это может быть, например, двигатель автомобиля, прием топлива, сжигание его, выброс сгоревшего топлива, прием большего количества топлива пр.
	За каждый цикл работы двигателя:
	ΔQ H — это энергия взята из горячего источника
	w — работа, проделанная двигателем
	ΔQ C — это энергия отдана на холодный приемник ( потрачено впустую энергия)
КПД, η тепловой машины определяется следующим образом
Эта дробь обычно умножается на 100 чтобы дать процент, если выполненная чистая работа равна только половине энергия, взятая из источника, двигатель имеет КПД 50%.
Из принципа сохранения энергии, у нас
следовательно
Эксперименты показывают, что с ростом разница между T H и T C увеличивается на .
Можно показать, что теоретический максимальный КПД теплового двигателя дает
Здесь стоит подчеркнуть, что это дает теоретических максимальная эффективность.
Практические двигатели, такие как автомобильные, имеют КПД около 20%. (для бензина) и 38% (для дизельного топлива).
Это намного ниже, чем вы получили бы от применения вышеуказанного формула.
Сравнивая два последних уравнения, мы можем сказать что для двигателя, работающего на максимальная КПД
и перестановка дает
Другими словами, для двигателя, работающего на теоретический максимальный КПД , количество ΔQ / T для источника будет равно по величине на такое же количество для раковины.
Осознавая важность этого количества, Рудольф Клаузиус дал ему название: он сказал, что это соотношение представляет собой изменение на энтропия тела .
Итак, в общих чертах имеем определение энтропии, S
где ΔQ представляет количество энергия, входящая или выходящая из тела, а Т представляет абсолютная (или кельвиновская, или термодинамическая) температура, при которой происходит передача энергии.

Определение эффективности

Что такое эффективность?

Эффективность означает пиковый уровень производительности, при котором используется наименьшее количество входных данных для достижения максимальной производительности. Эффективность требует сокращения количества ненужных ресурсов, используемых для получения определенного результата, включая личное время и энергию. Это измеримая концепция, которую можно определить с помощью отношения полезного выхода к общему входу. Это сводит к минимуму трату ресурсов, таких как физические материалы, энергия и время, при достижении желаемого результата.

Ключевые выводы

• Эффективность — это фундаментальное сокращение количества потерянных ресурсов, которые используются для производства определенного количества товаров или услуг (продукции).
• Экономическая эффективность является результатом оптимизации использования ресурсов для наилучшего обслуживания экономики.
• Эффективность рынка — это способность цен отражать всю доступную информацию.
• Операционная эффективность — это показатель того, насколько хорошо фирмы конвертируют операции в прибыль.

Понимание эффективности

В общем, что-то эффективно, если ничего не тратится зря и все процессы оптимизированы. В финансах и экономике эффективность может использоваться различными способами для описания различных процессов оптимизации.

Экономическая эффективность означает оптимизацию ресурсов для наилучшего обслуживания каждого человека в этом экономическом состоянии. Отсутствие установленного порога определяет эффективность экономики, но показатели экономической эффективности включают товары, поставляемые на рынок с минимально возможными затратами, и рабочую силу, обеспечивающую максимально возможный выпуск продукции.

Рыночная эффективность описывает, насколько хорошо цены объединяют доступную информацию. Таким образом, рынки считаются эффективными, когда вся информация уже включена в цены, и поэтому нет никакого способа «обыграть» рынок, поскольку отсутствуют недооцененные или переоцененные ценные бумаги. Эффективность рынка была описана в 1970 году экономистом Юджином Фама, чья гипотеза эффективного рынка (EMH) гласит, что инвестор не может превзойти рынок и что рыночных аномалий не должно существовать, потому что они будут немедленно устранены арбитражем.

Операционная эффективность показывает, насколько хорошо получается прибыль в зависимости от операционных затрат. Чем выше операционная эффективность, тем прибыльнее фирма или вложение. Это связано с тем, что предприятие способно получать больший доход или прибыль при тех же или более низких затратах, чем альтернатива. На финансовых рынках операционная эффективность достигается за счет снижения транзакционных издержек и комиссий.

Исторический образ

Прорывы в экономической эффективности часто совпадали с изобретением новых инструментов, дополняющих рабочую силу.Ранние примеры включают колесо и ошейник. Ошейник для лошади перераспределяет вес на спине лошади, так что животное может переносить большие грузы, не будучи перегруженным. Паровые двигатели и автомобили, появившиеся во время промышленной революции, позволили людям двигаться дальше за меньшее время и способствовали повышению эффективности путешествий и торговли. Промышленная революция также представила новые источники энергии, такие как ископаемое топливо, которые были дешевле, эффективнее и универсальнее.

Такие движения, как промышленная революция, также повысили эффективность во времени. Например, заводская система, в которой каждый участник сосредотачивается на одной задаче в производственной линии, позволяла операциям увеличивать выпуск продукции, экономя время. Многие ученые также разработали методы оптимизации выполнения конкретных задач. Известным примером стремления к эффективности в массовой культуре является биографический роман Фрэнка Банкера Гилбрета-младшего и Эрнестин Гилбрет Кэри «Дешевле на дюжину». В книге Гилбрет-младший разрабатывает системы, позволяющие добиться максимальной эффективности даже в самых повседневных задачах, таких как чистка зубов.

Влияние эффективности

Эффективное общество лучше способно служить своим гражданам и действовать в условиях конкуренции. Качественно произведенные товары продаются по более низкой цене. Достижения в результате повышения эффективности способствовали повышению уровня жизни, например, благодаря снабжению домов электричеством, водопроводом и предоставлению людям возможности путешествовать. Эффективность снижает голод и недоедание, потому что товары перевозятся дальше и быстрее. Кроме того, повышение эффективности позволяет повысить производительность за более короткое время.

Эффективность — важный атрибут, потому что все ресурсы недостаточны. Время, деньги и сырье ограничены, и важно сохранить их при сохранении приемлемого уровня производства.

Пример из реального мира

Индустрия 4.0 — это четвертая промышленная революция, характеризующаяся цифровизацией. Производственные процессы, производство и сфера услуг стали более эффективными с появлением мощных компьютеров, облачных вычислений, промышленного Интернета вещей (IIoT), аналитики данных, робототехники, искусственного интеллекта и машинного обучения.

Например, аналитика данных может применяться в промышленных условиях, чтобы информировать заводов или руководителей заводов, когда оборудование будет нуждаться в обслуживании или замене. Этот тип профилактического обслуживания может существенно снизить эксплуатационные расходы. Исследование Accenture, на которое ссылаются Джей Ли, Чао Джин, Зонгчан Лю и Хоссейн Давари Ардакани в их статье «Введение в основанные на данных методологии прогнозирования и управления здоровьем», показывает, что использование аналитики данных для прогнозируемого обслуживания приводит к снижению затрат на 30%.