Формула для работы совершаемой двигателем за цикл - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

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

Формула для работы совершаемой двигателем за цикл

§ 5.12. Максимальный кпд тепловых двигателей

Идеальная тепловая машина Карно

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Все процессы в машине Карно рассматриваются как равновесные (обратимые).

В машине осуществляется круговой процесс или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух, адиабат (рис. 5.16). Кривые 1—2 и 3—4 — это изотермы, а 2—3 и 4—1 — адиабаты.

Сначала газ расширяется изотермически при температуре T1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре Т2. Газ отдает в этом процессе холодильнику количество теплоты Q2. Наконец газ сжимается адиабатно и возвращается в начальное состояние.

При изотермическом расширении газ совершает работу А’1 > О, равную количеству теплоты Q1. При адиабатном расширении 2—3 положительная работа А’3 равна уменьшению внутренней энергии при охлаждении газа от температуры T1 до температуры Т2: А’3 = -ΔU12 = U(T1) — U (Т2).

Изотермическое сжатие при температуре Т2 требует совершения над газом работы А2. Газ совершает соответственно отрицательную работу А’2 = -А2 = Q2. Наконец, адиабатное сжатие требует совершения над газом работы А4 = ΔU21. Работа самого газа А’4 = -А4 = -ΔU21 = U(T2) — U(Т1). Поэтому суммарная работа газа при двух адиабатных процессах равна нулю. За цикл газ совершает работу

Эта работа численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла (заштрихована на рис. 5.16).

Для вычисления коэффициента полезного действия нужно вычислить работы при изотермических процессах 1—2 и 3—4. Расчеты приводят к следующему результату:

Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к абсолютной температуре нагревателя.

Карно Никола Леонар Сади (1796— 1832) — талантливый французский инженер и физик, один из основателей термодинамики. В своем труде «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.) впервые показал, что тепловые двигатели могут совершать работу лишь в процессе перехода теплоты от горячего тела к холодному. Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя.

Можно выразить работу, совершаемую машиной за цикл, и количество отданной холодильнику теплоты Q2 через КПД машины и полученное от нагревателя количество теплоты Q1. Согласно определению КПД

Так как η η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина — по прямому циклу (рис. 5.18).

Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5)

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q2 = |Q’2|.

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

Так как по условию η’ > η, то А’ > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.

Если допустить, что η > η’, то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно — по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: η’ = η.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η’ > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение η’

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 = 800 К и Т2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения , где Т1 — абсолютная температура нагревателя, а Т2 — абсолютная температура холодильника.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

(1) Однако это не означает, что холодильная машина и тепловой насос — это одно и то же. Назначение холодильной машины — охлаждать некоторый резервуар, передавая теплоту в окружающую среду. Назначение теплового насоса — нагревать резервуар, забирая теплоту из окружающей среды.

(2) Карно фактически установил второй закон термодинамики до Клаузиуса и Кельвина, когда еще первый закон термодинамики не был сформулирован строго.

Цикл двигателя

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

  • Цикл
  • Цикл производственный

Полезное

Смотреть что такое «Цикл двигателя» в других словарях:

ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ — (Oil engine cycle) круговой процесс, по которому работают двигатели, представляющий собой замкнутую последовательность явлений, происходящих внутри рабочего цилиндра, периодически повторяющихся. Цикл Дизеля, по которому работают дизели, заключает … Морской словарь

цикл двигателя — variklio ciklas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Periodiškai pasikartojančių procesų seka šiluminiame variklyje (stūmokliniame ar kito tipo). Idealusis variklio ciklas gali būti pavaizduotas grafiškai uždara kreive, kurią sudaro linijos,… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

цикл двигателя — Рис. 1. Идеальный цикл ВРД со сгоранием при постоянном давлении. цикл двигателя термодинамический — круговой процесс, совершаемый рабочим телом и состоящий из совокупности термодинамических процессов изменения состояния рабочего тела в… … Энциклопедия «Авиация»

цикл двигателя — Рис. 1. Идеальный цикл ВРД со сгоранием при постоянном давлении. цикл двигателя термодинамический — круговой процесс, совершаемый рабочим телом и состоящий из совокупности термодинамических процессов изменения состояния рабочего тела в… … Энциклопедия «Авиация»

ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ — последовательность процессов, периодически повторяющихся в тепловом двигателе (поршневом или другого типа). Идеальный Ц. д. можно представить графически в виде замкнутой кривой, составл. из линий, характеризующих отд. процессы, последовательно… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Цикл двигателя термодинамический — круговой процесс, совершаемый рабочим телом и состоящий из совокупности термодинамических процессов изменения состояния рабочего тела в пределах тракта двигателя. Различают следующие процессы изменения параметров рабочего тела: адиабатный (без… … Энциклопедия техники

ЦИКЛ — ЦИКЛ, цикла, муж. (греч. kyklos, букв. колесо). 1. Совокупность каких нибудь явлений, процессов, работ, совершающих законченный круг развития в течение какого нибудь промежутка времени. Производственный цикл (совокупность процессов от самого… … Толковый словарь Ушакова

цикл — сущ., м., употр. сравн. часто Морфология: (нет) чего? цикла, чему? циклу, (вижу) что? цикл, чем? циклом, о чём? о цикле; мн. что? циклы, (нет) чего? циклов, чему? циклам, (вижу) что? циклы, чем? циклами, о чём? о циклах 1. Циклом называются… … Толковый словарь Дмитриева

Читать еще:  В фольксваген поло седан нет датчика температуры двигателя

цикл — а; м. 1) Совокупность каких л. явлений, процессов, работ, составляющих законченный круг действия, развития чего л. Производственный цикл. Годовой цикл вращения планеты. Менструальный цикл. Короткий биологический цикл. Одногодичный цикл развития… … Словарь многих выражений

цикл — а, м. 1. Совокупность каких л. явлений, процессов, работ, составляющих законченный круг действия, развития чего л. Одногодичный цикл развития листьев. Цикл двигателя внутреннего сгорания. Цикл переменного тока. Рабочий цикл станка. □ Григорий… … Малый академический словарь

Анализ идеальных циклов поршневых ДВС

Приступая к изучению двигателей внутреннего сгорания, необходимо иметь четкое представление о термодинамических особенностях того или иного типа двигателей, их эффективности в зависимости от ограничений, накладываемых условиями эксплуатации. Такое представление может быть получено путем рассмотрения идеальных циклов ДВС.

  • Цикл поршневого двигателя со смешанным подводом тепла
  • Идеальный цикл комбинированного двигателя

При этом практический интерес представляет экономичность цикла и параметры, ее определяющие.

Цикл поршневого двигателя со смешанным подводом тепла

Напомним основные особенности идеальных циклов:

  • а) рабочее тело в цикле — идеальный газ;
  • б) количество идеального газа — постоянно;
  • в) сжатие и расширение газа происходит по адиабате;
  • г) процессы сгорания топлива Расчет процесса сгорания топлива и выпуска газов условно заменяются процессами подвода и отвода тепла при постоянном давлении или постоянном объеме.

Как 2-тактные, так и 4-тактные двигатели имеют одинаковые идеальные циклы.

Из курса термодинамики известно, что для современного поршневого дизеля с непосредственным впрыском топлива в цилиндр идеальным является цикл со смешанным подводом теплоты (рис. 1).

Рис. 1 Цикл со смешанным подводом теплоты

В верхней части рисунка дано изображение цикла в осях «давление-объем», где площади под кривыми численно равны работе в процессе расширения или сжатия. В нижней части рисунка цикл изображен в осях «температура-энтальпия», где площади под кривыми численно равны количеству подведенной или отведенной теплоты. Подвод теплоты в цикле осуществляется частично при постоянном объеме (для теплоты q1 определяется площадью ocz1n1 ), частично при постоянном давлении (доля q2 определяется площадью n1z1zn ). Отведенная теплота q3 определяется площадью oabn .

Термический КПД цикла равен:

η t = 1 – q 3 q 1 + q 2 Ф о р м . 1

  • q1 — количество подведенного тепла (площадь oczn на диаграмме T-S);
  • q3 — количество тепла, переданное холодному источнику (площадь abno ).

Доли подведенной и отведенной теплоты, выраженные через теплоемкости газа Cv и Cp и температуры в точках цикла, равны:

q 1 = C v T z 1 – T c ;

q 2 = C p ( T z – T z 1 ) ;

q 3 = C v ( T b – T a ) ; Ф о р м . 2

Выразим температуры через параметры цикла:

T c = T a ε k – 1 ;

T z 1 = T c λ = T a ε k – 1 ;

T z = T z 1 ρ = T a ε k – 1 λ ρ ;

T b = T z ρ / ε k – 1 = T a ε k – 1 λ ρ ρ / ε k – 1 = T a λ ρ k . Ф о р м . 3

Выполнив преобразования исходной зависимости (Формула 1) с учетом приведенных равенств найдем:

η t = 1 – 1 ε k – 1 · λ ρ k – 1 λ – 1 + k λ ρ – 1 , Ф о р м . 4

  • k = Cp/Cv — показатель адиабаты.
  • ε – степень сжатия;
  • λ – степень повышения давления;
  • ρ – степень предварительного расширения.

Если принять ρ = 1 – расчетная формула становится справедливой для идеального цикла карбюраторного двигателя (цикл быстрого горения). При λ = 1 – формула справедлива для “дизельного” цикла (цикл компрессорного дизеля с воздушным распыливанием топлива и сгоранием при постоянном давлении).

Как видно из приведенной зависимости, для любого идеального цикла термический КПД растет с ростом степени сжатия ε . При равной степени сжатия цикл быстрого горения имеет более высокий КПД, “дизельный” цикл – минимальный КПД.

Однако у дизеля величина степени сжатия больше в 1,5-2 раза по сравнению с карбюраторным двигателем, у которого ε ограничивается детонационными качествами топлива (бензина), что реально обеспечивает более высокие значения ηt у дизелей.

Что касается максимальных значений степени сжатия у дизелей – величины ε ограничиваются требованиями механической напряженности двигателя. Чем выше степень сжатия – тем выше давление сжатия и соответственно давление сгорания в цилиндре, больше механические напряжения в деталях.

Если выдвинуть требования – при сравнении циклов исходить из одинакового давления сгорания, то более экономичным оказывается цикл “компрессорного” дизеля, затем следует цикл со смешанным подводом тепла; цикл быстрого горения имеет минимальный термический КПД. Такое положение объясняет тенденцию изменения показателей рабочего процесса и регулировки современных дизелей по мере их форсировки – ограничения по механическо напряженности заставляют изменять цикл со смешанным подводом теплоты в сторону цикла сгорания при постоянном давлении (уменьшать долю q1 и увеличивать долю q2 ). Реально это осуществляется за счет уменьшения угла опережения подачи топлива и даже перенесения всего впрыска топлива за ВМТ.

Идеальный цикл комбинированного двигателя

Современный дизельный агрегат представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором ТК (газовой турбиной с сидящим на одном валу с ней компрессором, рис. 2). Газы совершают полезную работы сначала в цилиндре (перемещая рабочий поршень), а затем в газовой турбине. Если газовая турбина отдает часть полезной работы на общий фланец отбора мощности – такой двигатель в полной мере может быть назван комбинированным.

Рис. 2 Схема комбинированного двигателя

Реально в современных двигателях газовая турбина используется только для приводы воздушного компрессора, подающего воздух в цилиндры под более высоким давлением, чем давление окружающей среды. Энергия газов, преобразованная в механическую работу в газовой турбине, передается в компрессоре воздуху, и при отсутствии охлаждения воздуха возвращается в цилиндр. Двигатель с такой схемой использования энергии может быть назван комбинированным условно.

Идеальный цикл двигателя в осях P-V дан на рис. 3, в осях T-S на рис. 4. Он состоят из цикла acz1zb поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты и упрощенного цикла турбокомпрессора без охлаждения воздуха bmoa .

Рис. 3 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме P-V

В цикле ТК обозначено:

  • bm — адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине;
  • mo — передача тепла холодному источнику q3 при P = const (истечение газа из газовой турбины при постоянном давлении);
  • oa — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

В осях P-V полезная работа определяется площадью диаграммы.

Как видно из рисунка 3, полезная работа в комбинированном двигателе acz1zbmo при прочих равных условиях больше полезной работы цикла поршневого двигателя acz1zb на величину, определяемую площадью bmoa .

Поскольку количество подведенного тепла считается неизменным, следовательно, полезная работа увеличена за счет уменьшения количества отводимого тепла. Это видно из рис. 4, где уменьшение отведенного тепла по сравнению с циклом поршневого двигателя определяется заштрихованной площадью bmoa.

Рис. 4 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме T-S

Определим термический КПД идеального цикла комбинированного двигателя. Для этого обозначим:

— суммарная степень сжатия в компрессоре и в цилиндре;

  • Δδ = Vm/Vo — отношение объема газа на выходе из турбины к объему газа на входе в компрессор..
  • Остальные обозначения — те же, что и в циклах поршневых ДВС. Тогда:

    η t = 1 – q 3 / q 1 + q 2 . Ф о р м . 5

    q 1 = C v T z 1 – T c ;

    q 2 = C p T z – T z 1 ;

    q 3 = C p T m – T o . Ф о р м . 6

    а температуры определяются равенствами:

    T c = T o ε k – 1 ;

    T z 1 = T c λ = T o ε Σ k – 1 λ ;

    T z = T z 1 ρ = T o ε Σ k – 1 λ ρ ;

    Читать еще:  Что делать если двигатель глохнет на малых оборотах

    T b = T z V z / V b k – 1 = T o λ ρ k V o / V b k – 1 ;

    T m = T b V b / V m k – 1 = T o λ ρ k 1 / ∆ δ k – 1 ; Ф о р м . 7

    η t = 1 – C p T o λ ρ k 1 / ∆ δ k – 1 – 1 C v T o ε Σ k – 1 λ – ε Σ k – 1 + C p T o ε Σ k – 1 λ ρ – ε Σ k – 1 . Ф о р м . 8

    Учитывая, что Cp/Cv = k , и выполнив алгебраические преобразования, окончательно получим:

    η t = 1 – 1 ε Σ k – 1 · k λ ρ k 1 / ∆ δ k – 1 – 1 λ – 1 + k λ ρ – 1 . Ф о р м . 9

    Из этого равенства видно, что термический КПД комбинированного двигателя зависит от тех же факторов, что и цикл поршневого двигателя. Увеличение ηi комбинированного двигателя по сравнению с поршневым определяется двумя факторами: возрастанием суммарной степени сжатия

    и влиянием дополнительного расширения в турбине, характеризуемым отношение Vm/Vo = Δδ .

    Любое увеличение суммарной степени сжатия и степени последующего расширения в турбине приводит к уменьшению правой части равенства (Формула 9) и к соответствующему увеличению термического КПД цикла. Это – один из определяющих факторов, благодаря которому удалось поднять эффективный КПД современных двигателей до небывалой ранее величины 50-52 %.

    Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

    Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

    Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

    На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании.

    Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания, а также его рабочие циклы.

    Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

    Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

    Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

    Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации)
    Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье как устроен двигатель внутреннего сгорания.

    Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

    Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

    Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

    При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200 о С.

    Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

    Рабочий цикл четырехтактного дизеля

    В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600 о С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

    Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

    Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

    Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900 о С.

    Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700 о С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

    Более подробно про работу дизеля в статье Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы.

    Принцип работы многоцилиндровых двигателей

    На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

    Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

    Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3
    Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

    КПД — что это, по какой формуле считается и как найти КПД тепловой машины или механизма

    Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Эта аббревиатура вряд ли требует расшифровки: она неизвестна разве что тем, у кого в школе был «неуд» по физике.

    Но для забывчивых всё же напомним, что под этим сокращением скрывается коэффициент полезного действия. Что же собой представляет эта величина?

    Поговорим о ней простым и понятным языком – это может пригодиться даже в повседневной жизни.

    Что такое КПД в физике и какова его формула

    Для выполнения какой-либо работы необходимо затратить определённое количество энергии. Чтобы ехал велосипед, вы тратите мышечную энергию крутя педали. Чтобы двигался автомобиль, используется энергия сжигаемого топлива (бензина, солярки или газа).

    Читать еще:  Генератор из асинхронного двигателя своими руками без переделки

    Для горения лампочки требуется энергия электрического тока. Список можно продолжать до бесконечности. Точку можно поставить на солнечной энергии, благодаря которой существует жизнь на Земле.

    Далее возникает логичный вопрос: а насколько эффективно расходуется эта энергия? В идеале хотелось бы, чтобы вся она шла «в дело», то есть использовалась только по прямому назначению. Но, к сожалению, на практике такого не бывает.

    Затраченная энергия будет всегда больше, чем полезная работа, так как для достижения основной цели (движение, подъём груза, освещение, отопление и т.д.) часть энергии неизбежно уйдёт на неустранимые потери (преодоление силы трения, нагрев электропроводки, выброс продуктов горения в атмосферу и т.д.). Понятно, что чем меньше такие потери, тем лучше.

    Критерием того, насколько эффективно работает система (устройство, агрегат, двигатель, машина и т.д.), служит показатель, получивший название коэффициент полезного действия (КПД).

    Иными словами, КПД показывает, какова доля полезной работы в общих энергозатратах. Математически КПД (чаще всего обозначается символом ŋ) определяется по формуле:

    где A — полезная энергия (работа);
    Q — энергия, затраченная на совершение полезной работы.

    Понятно, что ŋ – величина безразмерная и не может быть больше единицы (да и равной единице она может быть чисто теоретически).

    Выражается она в виде десятичной дроби либо в процентах (в последнем случае в формулу вставляется множитель х100).

    Так, если КПД равен 0,9 (90%), то это значит, что 10% полезной мощности составили безвозвратные потери.

    КПД теплового двигателя (машины)

    Под тепловым двигателем понимается машина (агрегат), в которой энергия, высвобождающаяся в процессе расширения рабочего тела, преобразуется в механическую работу.

    В качестве рабочего тела обычно выступает газ или газообразные вещества (пары бензина, водяной пар и т.п.).

    Тепловые машины работают по замкнутому циклу. Это значит, что процесс преобразования энергии и сопутствующей теплопередачи периодически повторяется, а рабочее тело совершает круговой цикл, возвращаясь в исходное состояние.

    К тепловым двигателям относятся:

    1. поршневые (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания);
    2. роторные/турбинные (газовые или паровые турбины АЭС и ТЭЦ);
    3. реактивные (авиация);
    4. ракетные (космическая техника).

    Используя положения предыдущего параграфа, КПД тепловой машины можно сформулировать как отношение полезной работы, совершённой за один цикл, к энергии (количеству теплоты), поступившей от энергоносителя (нагревателя).

    Тогда формулу (1) можно преобразовать следующим образом:

    где Q1 — количество теплоты, полученное двигателем от нагревателя за цикл;
    Q2 — количество теплоты, отданное двигателем охладителю (холодильнику) за цикл;
    Q1 – Q2 – количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

    Предположим, что Q1 = Q2, то есть на совершение полезной работы ничего не осталось – вся энергия «ушла в трубу». Тогда и КПД будет нулевым. Если же Q2 = 0, то есть вся энергия отдана полезной работе (потери отсутствуют), то КПД будет равен 1.

    Но это теория, на практике ни то ни другое нереалистично. В первом случае двигатель просто бесполезен, во втором – идеален, но недосягаем.

    Значения КПД для различных типов тепловых двигателей приведены ниже.

    Самым большим КПД обладают тепловые двигатели, работающие на основе цикла Карно (процесс назван в честь французского инженера, открывшего это явление в 1824 г.). В термодинамике оно характеризует круговой цикл, включающий в себя две стадии: расширение и сжатие рабочего тела.

    Причём на протяжении обеих стадий попеременно проходят два процесса: изотермический (протекающий при постоянной температуре), и адиабатический (протекающий без теплообмена с окружающей средой). Максимальное значение КПД здесь достигается за счёт того, что тела с разной температурой не контактируют, а значит, без осуществления работы теплопередача исключается.

    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.

    Как можно увеличить КПД

    Современная наука постоянно ищет пути повышения КПД двигателей и отдельных механизмов, внедряя новые технические решения и технологические инновации.

    Чем выше будет КПД, тем экономичней будет двигатель, тем больше энергоресурсов удастся сберечь.

    Тепловой двигатель

    Из формулы (2) следует, что для увеличения КПД есть два пути: а) повышение температуры нагревателя; б) понижение температуры холодильника. Оба пути малоперспективны.

    Нагреватель нельзя разогревать до бесконечности, так как любой материал имеет предел жаропрочности. Холодильником почти всегда служит окружающая среда, а внедрение в систему дополнительного теплообменника (например, баллона с жидким азотом) нецелесообразно: это резко увеличит вес, габариты и стоимость двигателя.

    Установлено, что на КПД не влияют характеристики рабочего тела. Что же остаётся?

    А остаётся немало практически реализуемых способов, таких как уменьшение трения в механических узлах, минимизация теплопотерь путём достижения максимально полного сгорания топлива, создание обтекаемых форм для снижения лобового сопоставления (воздуха или воды) и т.д.

    Учитывая, что в механике хорошим показателем на сегодняшний день считается КПД 30-40%, учёным и практикам есть над чем работать.

    Наклонная плоскость

    Из формулы (3) следует, что для повышения КПД нужно снижать силу трения (прежде всего, путём создания гладких соприкасающихся поверхностей) и увеличивать угол наклона. Но! При крутом уклоне силёнок для поднятия тяжёлого груза может и не хватить.

    В заключение отметим, что в электротехнике ситуация с КПД обстоит гораздо лучше (показатель в 95% для электродвигателя – норма). На то есть объективные причины, объяснение которых выходит за рамки рассматриваемой темы.

    Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога KtoNaNovenkogo.ru

    Эта статья относится к рубрикам:

    Комментарии и отзывы (2)

    Так как показано на рисунке, где мужик тянет груз вверх по наклонной плоскости, повысить КПД, снижая силу трения, невозможно, поскольку этот мужик не сможет передвигаться по данной поверхности.

    Если человек лежит весь день на диване и лишь вечером выносит ведро мусора, то его КПД стремится к нулю. А вот если он при этом сочиняет что-то, за что получает хорошие бабки, то КПД стремительно возрастает. Значит он уже не просто «дурака валяет», а занимается творческим процессом! ))

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector