Максимальные значения характерны для круглых станков. Он работает при заданной температуре нагревательного элемента (T1) и холодильного агрегата (T2). Измерение производится с помощью следующего уравнения: η = (T1-T2)/T1. Теплотворная способность используется для определения эффективности котла, работающего на ископаемом топливе.
Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как рассчитать его по формуле
Термин «полезный» в физике — это результат после сопротивления. Типичным примером является сопротивление металла в обрабатывающих центрах. В случае с кранами это масса объекта. Например, эффективность традиционных ламп накаливания составляет менее 5%, в то время как эффективность светодиодов гораздо выше. Это связано с тем, что большая часть потребляемой энергии расходуется на производство тепла, а не света.
То же самое относится и к электронике, и этот фактор необходимо учитывать при проектировании плат и электрических схем. Здесь важно учитывать проводимость металла и использовать материалы с низким сопротивлением. В этой статье описаны ключевые аспекты эффективности, способы ее расчета, ее влияние и основные возможности для повышения эффективности.
Что такое КПД
Коэффициент эффективности (степень эффективности) — это отношение эффективной энергии Wp Wp/W — общее количество энергии W, полученное системой (двигателем или двигателями) в виде проекта.В реальных системах это всегда имеет место, поскольку потери энергии из-за трения и других неравновесных процессов неизбежны. Исходя из второго принципа термодинамики тепловых двигателей, наилучший КПД (отношение между проектом Wp, выполненным в цикле, и количеством тепла Q, подведенным к этому циклу) зависит только от температуры нагревателя T1 и охладителя T2 и равно = Wp / Q = (T1- T2 / T1 (теорема Карнауха).
В электродвигателях степень эффективности — это отношение механического КПД к количеству электроэнергии, поставляемой источником питания. В электрических трансформаторах степень эффективности — это отношение электромагнитной энергии вторичной обмотки к энергии первичной обмотки. Понятие эффективности является универсальным и может быть применено к различным системам, таким как генераторы, различные типы двигателей, полупроводниковые устройства и биологические объекты, и поэтому может быть использовано для сравнительной оценки эффективности различных процессов.
Мощность и коэффициент полезного действия электродвигателей
Электродвигатели имеют высокие коэффициенты полезного действия, но они все еще далеки от идеальных показателей, к которым продолжают стремиться производители. Причина этого заключается в том, что во время работы энергоблока один вид энергии преобразуется в другой вид энергии, выделяется тепло и неизбежны потери. Распространение тепловой энергии может быть зарегистрировано в различных компонентах двигателей всех типов. Потери мощности в электродвигателях являются результатом местных потерь в обмотках, стальных компонентах и во время механической работы. Имеется небольшой, но существенный вклад в виде дополнительных потерь.
Магнитные потери.
Магнитные потери возникают в магнитном поле якоря двигателя при перемагничивании. Их величина складывается из суммы потерь на вихревые токи и потерь на перемагничивание и является функцией частоты намагничивания, магнитной индукции арматуры и зубцов арматуры. Толщина используемого металлического листа и качество изоляции также играют важную роль.
Механические и электрические потери
Подобно магнитным потерям, механические потери в электродвигателях постоянны. Они включают в себя потери на трение в подшипниках, потери на трение щеток и потери на вентиляцию двигателя. Минимизация механических потерь возможна благодаря использованию современных материалов с улучшенными с годами характеристиками. Электрические потери, с другой стороны, непостоянны и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. В основном они возникают из-за нагрева щеток и контакта щеток.
Броня и полевые потери снижают эффективность. Механические и электрические потери являются основными факторами, способствующими изменению характеристик двигателя.
Дополнительные потери.
Потери мощности в двигателях складываются из потерь из-за балансирных соединений и потерь из-за неравномерной индукции арматуры при высоких нагрузках. Потери на токовых и полюсных зажимах вносят свой вклад в общие дополнительные потери. Поскольку точно определить все эти величины сложно, обычно считается, что их сумма составляет от 0,5 до 1%. Эти данные используются для расчета общих потерь, чтобы определить эффективность двигателя.
Эффективность и ее зависимость от нагрузки
КПД электродвигателя — это отношение эффективной мощности силового агрегата к потребляемой мощности. Для двигателей мощностью до 100 кВт эти значения составляют от 0,75 до 0,9. Для более мощных двигателей КПД значительно выше: от 0,9 до 0,97. Определив общие потери мощности электродвигателя, можно с достаточной точностью рассчитать КПД любого силового агрегата. Этот метод определения производительности называется косвенным и может применяться к машинам различной мощности.
Инженер по специальности «Вычислительная техника и программное обеспечение автоматизированных систем», МИФИ, 2005-2010 гг.
При создании механизма люди стараются повысить эффективность, но не существует механизма с коэффициентом эффективности, равным единице (или больше).
Примеры расчета КПД
Пример 1.Необходимо рассчитать коэффициент полезного действия классического камина. Удельная теплота сгорания березовых дров — 107 Дж/кг, количество дров — 8 кг. После сжигания дров температура в помещении повысилась на 20 °C. Удельная теплоемкость 1 кубического метра воздуха составляет 1,3 кДж/кг*град. Общий кубический объем помещения составляет 75 кубических метров.
Чтобы решить эту задачу, необходимо найти коэффициент или отношение двух величин. Счетчик — это количество тепла, полученного воздухом в помещении (1300 Дж * 75 * 20 = 1950 кДж). Знаменатель — это тепло, выделяемое при горении древесины (10000000 Дж * 8 = 8 * 107кДж). Согласно расчетам, энергоэффективность дровяного камина составляет примерно 2,5%. Действительно, современные теории дизайна кухонь и каминов утверждают, что классические конструкции не являются энергоэффективными. Это происходит потому, что дымоход выпускает горячий воздух непосредственно в атмосферу. Для повышения эффективности дымоходы делают канальными, чтобы воздух сначала отдавал тепло в кладку каналов, а затем выходил из них. Однако справедливости ради следует отметить, что во время горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в помещении, а часть тепла передается плохо изолированным элементам (окнам, дверям и т.д.).
Пример 2: Автомобиль проехал 100 км. Автомобиль с пассажирами и багажом весил 1400 кг. Он израсходовал 14 литров бензина. Поиск: производительность двигателя.
Для решения этой проблемы необходима рабочая причина для перевода нагрузки в тепловую величину, выделяемую при сгорании топлива. Тепловая величина также измеряется в джоулях и не нуждается в переводе в другие единицы. A равно произведению сил на пути (α = f*s = m*g*s). Сила равна произведению массы на ускорение силы тяжести. Полезный проект = 1400 кг х 9,8 м/с2 х 100000 м = 1,37*108 дж
Теплота сгорания специального бензина составляет 46 мдж/кг = 46000 кдж/кг. Считается, что восемь литров бензина соответствуют примерно 8 кг. Выделяемое тепло составляет 46*106*14 = 6,44*108 Дж. Результат составляет приблизительно 21%.
Единицы измерения
Фактор производительности является бесплатным. Это означает, что нет необходимости определять единицу измерения. Однако цены могут быть выражены в процентах. Для этого умножьте число, полученное в результате деления типа на 100%. На уроках математики в школе нам говорили, что процент — это один сантиметр чего-либо. Умножение на 100% показывает, сколько всего чисел.
Эта величина зависит от количества, на которое весь завершенный проект может быть преобразован в полезную работу. Помимо прочего, это зависит от механизма или самой машины. Инженеры во всем мире упорно работают над повышением эффективности машин. В электромобилях, например, коэффициент полезного действия очень высок и превышает 90%.
Двигатели внутреннего сгорания, с другой стороны, по своей конструкции не могут приблизиться к 100%. В конце концов, энергия топлива не действует непосредственно на вращающиеся колеса. Энергия распределяется по отдельным шестеренкам. Если транспортных связей слишком много, часть отработанного воздуха все равно выходит из выхлопной трубы.
Мощность и КПД
Мощность механизма или устройства равна работе, выполняемой в единицу времени. Проект (a) измеряется в джоулях, а время — в секундах C. Однако не следует путать понятия мощности и номинальной мощности. Если вы пишете на чайнике мощность 1 700 ватт, это не значит, что он переносит 1 700 джоулей в секунду в вытекающую воду. Это номинальная мощность. Чтобы найти чайник, нужно найти количество тепла (Q), которое должно быть поглощено определенным объемом воды при нагревании на определенное количество градусов. Это число делится на работу, выполненную электричеством за время, необходимое для нагрева воды.
Значение a равно номинальной мощности, умноженной на время в секундах. Q равен количеству воды, умноженному на разницу температур в удельной теплоемкости. Затем Q делится на силу тока a, чтобы получить производительность электрического чайника. Это примерно 80%. Прогресс продолжается, и эффективность различных устройств, включая бытовую технику, растет.
Проблема возникает потому, что невозможно узнать производительность устройства по его выходной мощности. Номинальная мощность всегда указывается на упаковке устройства. Это указывает на количество энергии, потребляемой устройством из сети. Но в любом случае, невозможно точно предсказать количество энергии, необходимое для нагрева даже литра воды.
Например, в холодном помещении часть энергии расходуется на обогрев пространства. Это связано с тем, что чайник охлаждается в результате теплообмена. Наоборот, если в комнате теплее, чайник закипает быстрее. Поэтому производительность в каждом из этих случаев разная.
Проблема возникает потому, что невозможно узнать производительность устройства по его выходной мощности. Номинальная мощность всегда указывается на упаковке устройства. Это указывает на количество энергии, потребляемой устройством из сети. Но в любом случае, невозможно точно предсказать количество энергии, необходимое для нагрева даже литра воды.
Что такое коэффициент полезного действия
Соотношение полезной и затратной работы — это норма прибыли. Для двигателей внутреннего сгорания, на которых работает большинство автомобилей, КПД находится в диапазоне 20-25%. Часть энергии тратится на нагрев компонентов, а другая часть — на борьбу с трением. Кроме того, сгорает не все топливо, и больше тепла уходит с выхлопными газами. Для сравнения, КПД электромобилей составляет около 94%.
Рисунок 2. Потери в двигателе внутреннего сгорания.
Типы эффективности, как правило, следующие
где A — полезная работа, а Q — вся энергия, затраченная на выполнение работы.
Тепловой КПД циркуляционного насоса определяется следующим уравнением
где $ Q_1-Q_2 $ — разница между полученным и переданным холодильнику теплом.
Максимальный КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, составляет
где $ T_1$ — температура нагревателя, а $T_2$ — температура холодильника.
Рисунок 3.Цикл Карно.
Для электродвигателей КПД может быть определен с помощью следующего уравнения
где P_2 — эффективная мощность, используемая для преобразования электроэнергии в механическую энергию, а P_1 — полная мощность двигателя.
Задачи
- Чайник наполнен 1,5 литрами холодной воды, температура которой составляет 283°C. Для того чтобы вода закипела, требуется 6 минут. Чайник потребляет 11 А. Напряжение в сети составляет 228 В. Рассчитайте КПД чайника.
Полезная работа в данном случае — это энергия, необходимая для нагрева воды с 283°K до 373°K. Потребляемая работа — это мощность чайника, умноженная на время закипания. Таким образом, уравнение производительности котла должно быть записано как.
Учитывая $ m = \ rhoV$ и $P = UI$, окончательное выражение для производительности котла имеет вид
Подставляя в него данные из условий, получаем $ \ eta =0,63$. или 63% в процентном выражении.
- Механическое устройство используется для подъема груза массой 9 кг на высоту 20 м. Эффективность устройства составляет 70%. Найдите силу, приложенную к устройству для поднятия груза.
Также $ F = 130 Н $ — это сила, приложенная к устройству.
