0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое мощность двигателя и его кпд

Электродвигатели с высокой энергоэффективностью

Экологическое мышление мотивирует многих, а экология сама по себе является темой повседневной жизни. К сожалению, не в сфере бизнеса, хотя именно там любое ограничение потребления энергии означает огромную экономию. Электродвигатели с высоким КПД могут помочь в реализации этой задачи, тем более, что все более жесткие нормы во многих странах просто требуют этого.

Стоит знать, что когда говорят о двигателях с высоким КПД, то это относится обычно к традиционным асинхронным двигателям. Индукционные двигатели выпускаются в стандартном энергетическом исполнении, в исполнении с повышенной эффективностью и суперэффективные, – говорит Дэвид Хансен, глобальный менеджер продукта Kinetix Motion Control Rockwell Automation. — Двигатели же с постоянными магнитами выпускаются только по одному энергетическому классу.

Не случайно двигатели с постоянными магнитами предлагаются только в одном энергетическом классе: их конструкция сама по себе обеспечивает высокий КПД, поскольку исключает потребность намагничивания ротора. Джон Малиновски, старший продукт-менеджер в фирме Baldor Electric Company подчеркивает, что существует группа индукционных двигателей, которые соответствуют международным стандартам IEC 60034-30 по категории IE3 (высшая категория) и американским NEMA по категории Premium (тоже высшая категория).

По этой причине обсуждение ограничится универсальными асинхронными двигателями, роторы которых изготовлены из ферромагнитных материалов. Характеристики эффективности двигателей с постоянными магнитами будут обсуждены в другой раз.

— Двигатели энергетической категории Premium (аналог IE3) более чувствительны к исполнению, чем более старые двигатели, они создают меньше шума и вибрации, выделяют меньше тепла и являются более долговечными, — утверждает Малиновски.

— Более высокий КПД современных асинхронных двигателей является результатом совершенствования конструкции, правильной геометрии обмоток, использования более качественных материалов (в том числе меди в роторе), что приводит к более эффективному преобразованию электрической энергии в механическую, — утверждает Петер Фишбах, менеджер промышленного сектора в фирме Rexroth.

Что определяет КПД двигателя

— Ключом к более высокому КПД является ограничение потерь – констатирует Малиновски. – Больше меди в обмотке — меньше потери в проводимости, а в свою очередь более качественная магнитная сталь уменьшает потери на перемагничивание. Меньшие потери мощностиэто меньший нагрев, следовательно, и меньший охлаждающий вентилятор – очередная выгода.

Фишбах добавляет, что б?льшая часть потерь ? это потери на проводимости в роторе и статоре, часто называемые потерями на гистерезиса или потерями в железе.

Хансен перечисляет по пунктам список конструктивных решений, повышающих энергоэкономичность их приводов:

  • Сопротивление обмоток. ? С ростом сопротивления обмоток снижается КПД. Чтобы повысить эффективность двигателей, проектировщики стараются снизить сопротивление за счет увеличения количества меди в желобках и уменьшения обмоток, выступающих за статор.
  • Ламинирующее средство. – Потери в обмотках статора зависят непосредственно от качества примененной магнитной стали и от ламинирующего средства. Тонкий изолирующий слой приводит к меньшим потерям в сердечнике, нежели толстый слой.
  • Геометрия зубьев. – Специальная геометрия зубьев увеличивает концентрацию магнитного потока внутри двигателя. Б?льшая концентрация ? это меньшее рассеяние энергии, а следовательно, более высокий КПД

Важен комплекс

— Целью большинства промышленных применений является сочетание высокого КПД с высокой производительностью, – считает Фишбах. — Ключ к успехуанализ, моделирование и оптимизация всей системы, предшествующие принятию решения о закупке отдельных компонентов, таких, как двигатели.

С этим соглашается Малиновски: — Замена двигателей — это простой шаг в стремлении к большей эффективности, но выгода здесь ограничена. Стоит иметь двигатели с КПД порядка 95%, но они должны взаимодействовать с высококачественными трансмиссиями с КПД 90-95%, а не с изношенными конструкциями с КПД 50-60%.

Фишбах подтверждает: — Более высокая эффективность — понятие относительное, поскольку надо учитывать и другие факторы, влияющие на общую эффективность системы, такие, как время цикла или объем производства. Например, моментный двигатель с КПД 80% может потреблять меньше энергии, чем сервопривод с КПД 95%, поскольку не требует применения трансмиссии, а это может дополнительно увеличивать производительность системы.

Чего не делать

— Самые большие ошибки совершают те инженеры, которые все внимание сосредотачивают на щитке двигателя и ожидают пропорционального роста эффективности в их приложении, – предостерегает Фишбах.

Любой, в том числе и энергосберегающий двигатель имеет свою характеристику, поэтому он должен быть подобран к конкретному применению. Например, двигатель энергетического класса «премиум» не сэкономит много энергии, если он будет загружен частично или будет использоваться спорадически.

Малиновски приводит пример замены старого двигателя, работающего с центробежным насосом, на новый премиум-класса. Ротор насоса, который был спроектирован под взаимодействие со старым двигателем, не заменяют. Новый, более производительный двигатель будет, вероятно, работать с более высокими оборотами, что вызовет общий рост потребления энергии. Система может быть более энергоэффективна, но дополнительная работа, которая будет совершена, может быть ненужной.

— Проектировщики, которые действительно заинтересованы увеличением эффективности, не будут стремиться исключительно к замене двигателя, а проанализируют всю систему на предмет расходования энергии, – советует Хансен. — Даже самый производительный двигатель, работая с низкоэффективной передачей, не принесет существенных энергетических выгод. Любая механическая передача между двигателем и нагрузкой — это потеря энергии. Очень точные геликоидальные трансмиссии сразу после извлечения из упаковки имеют КПД 90-95%. Изношенная трансмиссия — это КПД на уровне 50-60%.

— Самым лучшим решением с точки зрения эффективности машины был бы отказ от механических трансмиссий и применение моментных двигателей (с постоянными магнитами) – заключает он.

А вы включаете в проект, а потом покупаете двигатели с высоким КПД? Будьте к этому готовы.

Как найти мощность двигателя через кпд

Что такое КПД

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

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

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

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

КПД при передаче энергии

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

Для вычисления коэффициента полезного действия теплового двигателя применяют следующую формулу:

Читать еще:  Что происходит при запуске асинхронного двигателя

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

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

где $T_n$ — температура нагревателя; $T_$ — температура холодильника.

Примеры расчета КПД

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

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

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

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

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

От чего зависит величина КПД

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

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

Мощность и КПД

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

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

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

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

Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей

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


Расчет КПД.

Магнитные потери мощности

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

Механические и электрические потери

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

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.

Будет интересно➡ Электрическая цепь и ее элементы

КПД и его зависимость от нагрузки

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

Лагутин Виталий Сергеевич

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

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.

Читать еще:  Что такое барно двигателя

Формула работы в физике

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

КПД механизма — по какой формуле вычисляют

Человек придумал разнообразные механизмы, с помощью которых можно поднимать тяжёлые грузы на определённую высоту. Так, для подъёма ведра с водой из колодца изобрели ворот, для подъёма автомобиля – домкрат. При помощи лебёдки и наклонной плоскости египтяне построили свои грандиозные пирамиды.

Пользуясь этими приспособлениями, человек редко вспоминает об их КПД. В качестве примера рассмотрим этот показатель для наклонной плоскости.

Принцип расчёта КПД остаётся неизменным: нужно найти отношение полезной работы ко всей затраченной энергии. То есть опять-таки используем общую формулу (1), сделав соответствующие преобразования.

Предположим, тело массой m нужно поднять (точнее затолкать или затянуть) на высоту h. При постоянной скорости подъёма полезная работа будет равна произведению силы тяжести (mg) на высоту (h).

Затраченная работа определяется произволением силы толчка или тяги F на длину наклонной плоскости L. Заметим, что толчковое (тяговое) усилие идёт на преодоление силы трения Fтр.

Таким образом, КПД такого простейшего механизма можно посчитать по формуле:

Несложный анализ показывает, что КПД наклонной плоскости обратно пропорционален силе трения и длине аппарели. Последняя, в свою очередь, зависит от угла наклона: чем он больше, тем короче аппарель.

Это интересно

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

Для сравнения, коэффициенты полезного действия различных устройств:

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

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

Характеристики КПД в электродвигателях

Электрические двигатели относятся к категории устройств, выполняющих преобразование электрической энергии в механическую. Коэффициент полезного действия для данных устройств определяет их эффективность в деле выполнения основной функции.

Как найти кпд двигателя? Формула КПД электродвигателя выглядит так: ƞ = Р2/Р1. В этой формуле Р1 является подведенной электрической мощностью, а Р2 – полезной механической мощностью, вырабатываемой двигателем. Значение электрической мощности (Р) определяется формулой Р = UI, а механической – Р = А/t, как отношение работы к единице времени.

Коэффициент полезного действия обязательно учитывается при выборе электродвигателя. Большое значение имеют потери КПД, связанные с реактивными токами, снижением мощности, нагревом двигателя и другими негативными факторами.

Превращение электрической энергии в механическую сопровождается постепенной потерей мощности. Потеря КПД чаще всего связана с выделением тепла, когда происходит нагрев электродвигателя в процессе работы. Причины потерь могут быть магнитными, электрическими и механическими, возникающими под действием силы трения. Поэтому в качестве примера лучше всего подходит ситуация, когда электрической энергии было потреблено на 1000 рублей, а полезной работы произведено всего лишь на 700-800 рублей. Таким образом, коэффициент полезного действия в данном случае составит 70-80%, а вся разница превращается в тепловую энергию, которая и нагревает двигатель.

Коэффициент полезного действия реактивного двигателя

Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

  • Коэффициент полезного действия компрессора, турбины
  • Коэффициент полноты сгорания топлива

Смотреть что такое «Коэффициент полезного действия реактивного двигателя» в других словарях:

коэффициент полезного действия реактивного двигателя — Рис. 1. Полётный коэффициент полезного действия. коэффициент полезного действия реактивного двигателя — безразмерная величина, характеризующая степень совершенства реактивного двигателя как тепловой машины и реактивного движителя. Различают… … Энциклопедия «Авиация»

коэффициент полезного действия реактивного двигателя — Рис. 1. Полётный коэффициент полезного действия. коэффициент полезного действия реактивного двигателя — безразмерная величина, характеризующая степень совершенства реактивного двигателя как тепловой машины и реактивного движителя. Различают… … Энциклопедия «Авиация»

коэффициент полезного действия реактивного двигателя — Рис. 1. Полётный коэффициент полезного действия. коэффициент полезного действия реактивного двигателя — безразмерная величина, характеризующая степень совершенства реактивного двигателя как тепловой машины и реактивного движителя. Различают… … Энциклопедия «Авиация»

коэффициент полезного действия реактивного двигателя — Рис. 1. Полётный коэффициент полезного действия. коэффициент полезного действия реактивного двигателя — безразмерная величина, характеризующая степень совершенства реактивного двигателя как тепловой машины и реактивного движителя. Различают… … Энциклопедия «Авиация»

Комбинированный двигатель — двигатель авиационный, в котором сочетаются элементы двигателей различных схем с целью улучшения его характеристик в широком диапазоне условий полёта и режимов работы. Исходными для образования К. д. могут служить двигатели, работающие по циклам … Энциклопедия техники

комбинированный двигатель — комбинированный двигатель — двигатель авиационный, в котором сочетаются элементы двигателей различных схем с целью улучшения его характеристик в широком диапазоне условий полёта и режимов работы. Исходными для образования К. д. могут служить … Энциклопедия «Авиация»

комбинированный двигатель — комбинированный двигатель — двигатель авиационный, в котором сочетаются элементы двигателей различных схем с целью улучшения его характеристик в широком диапазоне условий полёта и режимов работы. Исходными для образования К. д. могут служить … Энциклопедия «Авиация»

Схемы вертолетов — Реактивный момент, действующий на корпус вертолёта, и его компенсация Схема вертолета описывает количество несущих винтов вертолёта, а также тип устройств, используемых для управления вертолетом. Усилие для раскручивания несущего винта мож … Википедия

авиация — Рис. 1. Изменение приведённой «вредной» площади манёвренных истребителей по годам. авиация (франц. aviation, от лат. avis птица) широкое понятие, связанное с полётами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха. А. включает необходимые технические… … Энциклопедия «Авиация»

авиация — Рис. 1. Изменение приведённой «вредной» площади манёвренных истребителей по годам. авиация (франц. aviation, от лат. avis птица) широкое понятие, связанное с полётами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха. А. включает необходимые технические… … Энциклопедия «Авиация»

КПД теплового двигателя — обозначение, формула и значения

Большинство двигателей, используемых в современном обществе, являются тепловыми. К ним относятся паровые электрогенераторы, автомобили, грузовики, паровозы, холодильники, кондиционеры и тепловые насосы. Конечно, их общей мощности не хватит, чтобы заставить Землю вращаться, но они участвуют практически во всем, что происходит на планете. Поэтому каждый современный образованный человек должен знать, как они работают, что такое КПД теплового двигателя и его формулу.

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Читать еще:  Что такое техническое обслуживание система управления двигателем

Модификации тепловых машин:

  • Паровая машина;
  • машина Стирлинга;
  • двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
  • газовая турбина;
  • паровая турбина;
  • авиационные реактивные двигатели.

Устройства внешнего и внутреннего сгорания

По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.

Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.

В устройствах внутреннего сгорания топливо горит внутри его камеры. Например, в автомобильном двигателе устроено от четырех до шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин сгорает, выделяя тепловую энергию. Цилиндры «работают» попеременно, чтобы обеспечить стабильную мощность двигателя, приводящего в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

Анализ теплового цикла

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

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

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

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

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

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

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

    Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

    КПД тепловой машины

    Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.

    Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.

    Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η» — это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.

    КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:

    • η — эффективность работы теплового двигателя или КПД;
    • T h — температура горячего источника;
    • T c -температура холодного источника.

    Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax

    Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.

    Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

    Причины неэффективности

    Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:

  • Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
  • Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
  • Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

    Реальные КПД у современных машин

    На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

  • В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
  • Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
  • Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
  • Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
  • Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
  • Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

    Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.

    Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

    голоса
    Рейтинг статьи
  • Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector