Коэффициент полезного действия

Для чего нужен расчет КПД

Наглядный пример недостаточно эффективного устройства – классическая лампа накаливания. Пропускание тока через вольфрамовую спираль повышает температуру проводника. В рабочем режиме значительное количество потребляемой мощности расходуется на генерацию излучения. Однако к видимой части диапазона относится только небольшая часть спектра. Так как вырабатываемая теплота не выполняет полезного действия, соответствующие энергетические затраты следует узнавать по излишним.

Если выразить КПД через мощность в этом случае, следует одновременно учесть долговечность. Эта методика повышает точность оценки, так как подразумевает необходимость периодической замены испорченного излучателя.

В типовом рабочем режиме лампа накаливания нагревает нить до 2600-2800К. При таком значении срок службы составляет 900-1200 часов, КПД – от 5 до 7%. Увеличить эффективность в 2-5 раз можно повышением температуры до 3400-3600К. Однако в этом варианте долговечность уменьшается до 5-6 часов. Подобные практические характеристики нельзя признать удовлетворительными.

Сравнение эффективности и других параметров разных типов ламп

Эта таблица демонстрирует превосходство экономичных источников света. Срок службы современных светодиодов измеряется десятками тысяч часов. Даже на завершающих этапах рабочих циклов обеспечиваются высокая яркость и качественное распределение спектральных составляющих.

Методика и порядок измерений

Идеальные условия можно рассматривать только в теории. Для корректной оценки замкнутой системы необходимо учитывать энергетические потери на выполнение необходимой работы. Ниже показано, как определить КПД механических силовых агрегатов с применением разных исходных данных.

Движению поршня в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания препятствует сила трения. Поступательно-возвратные движения в ходе стандартного цикла преобразуются во вращение вала с дополнительными потерями. Высокая температура не выполняет в данном случае полезные функции. Чтобы не допустить разрушения агрегата, необходимо поддерживать определенный тепловой режим. Приходится обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости с помощью помпы.

Понятно, что в подобном случае сделать общий КПД расчет с учетом каждого компонента конструкции непросто. Однако можно узнать в ходе эксперимента с высокой точностью, какое количество топлива (масса – m) придется затратить на 100 км пробега машины за соответствующее время (t). Далее нужно взять из сопроводительной документации (справочников) следующие данные:

• мощность мотора – Рм;
• удельную теплоту бензина – У.

В этом варианте для расчета КПД двигателя формула преобразуется следующим образом: 

η = (Pм * t) / (У * m).

Для отображения результата в % итоговое значение умножают на 100.

Если мощность силового агрегата не известна, определять эффективность можно по массе авто (Mа). Измерять ее несложно с помощью промышленных весов (на станции техосмотра, элеваторе). В ходе эксперимента разгоняются с места до контрольной скорости (v). Массу топлива вычисляют по объему (переведенному из литров в м кв.), который умножают на плотность (справочная величина в кг на куб. м).

В этом случае КПД расчет находят по формуле:

η = (Mа * v2)/(2 * У * m).

Следует перевести предварительно скорость из км/час в м/с.

Проще измеряется эффективность электродвигателя с паспортной мощностью (P). Его подключают к источнику питания с известным напряжением (U). После выхода на стабильную частоту вращения фиксируют значение тока (I) в цепи. Далее применяют классическую формулу:

η = P/ (U * I).

Если сопроводительная документация отсутствует, технические параметры берут с официального сайта производителя. Однако и в этом случае следует понимать ограниченную точность подобных данных. В процессе эксплуатации характеристики могут ухудшиться за счет естественного износа. Погрешность увеличивается после длительной интенсивной эксплуатации, при подключении редуктора или другого переходного устройства.

Значительно улучшить точность можно с применением простой методики:

• устанавливают на вал шкив с закрепленным тросом;
• поднимают на контрольную высоту (h) груз c массой m;
• секундомером фиксируют время (t) на выполнение этой работы;
• мультиметром измеряют напряжение (U) и силу тока (I) на клеммах источника питания и в разрыве цепи, соответственно.

Для нахождения КПД в физике формула выглядит следующим образом:

η = (m * h * g)/(I * U * t),

где g – это гравитационная постоянная (9,80665).

Эффективность любого силового агрегата определяют по соотношению полезной работы к расходованной энергии. Чтобы корректно определять класс техники, пользуются переводом в проценты. Следует подчеркнуть, что значение больше 100% обозначает ошибку в расчетах. Создатель подобного агрегата станет «властелином мира», так как изобретет вечный двигатель.

Что такое КПД трансформатора и от чего зависит

Коэффициентом полезного действия (полная расшифровка данной аббревиатуры) называют отношение полезной электроэнергии к поданной на прибор.

Кроме энергии, показатель КПД может определяться расчётом по мощностным показателям при соотношении полезной величины к общей. Эта характеристика очень важна при выборе аппарата и определяет эффективность его использования.

Величина КПД зависит от потерь энергии, которые допускаются в процессе работы аппарата. Эти потери существуют следующего типа:

• электрического – в проводниках катушек;
• магнитного – в материале сердечника.

Величина указанных потерь при проектировании устройства зависит от следующих факторов:

• габаритных размеров устройства и формы магнитной системы;
• компактности катушек;
• плотности составленных комплектов пластин в сердечнике;
• диаметра провода в катушках.

Снижение потерь в агрегате достигается в процессе проектирования устройства, с применением для изготовления сердечника магнито-мягких ферромагнитных материалов. Электротехническая сталь набирается в тонкие пластины, изолированные друг относительно друга специальным слоем нанесённого лака.

В процессе эксплуатации эффективность аппарата определяется:

• поданной нагрузкой;
• диэлектрической средой – веществом, использованным в качестве диэлектрика;
• равномерностью подачи нагрузки;
• температурой масла в агрегате;
• степенью нагрева катушек и сердечника.

Если в ходе работы агрегат постоянно недогружать или нарушать паспортные условия эксплуатации, помимо опасности выхода из строя это ведёт к снижению эффективности устройства.

Трансформатор, в отличие от электрических машин, практически не допускает механических потерь энергии, поскольку не включает движущихся узлов. Незначительный расход энергии возникает за счёт температурного нагрева устройства.

Космическая станция

А если поместить механизм в космос? Бесплатная энергия Солнца доступна 24 часа в сутки, охлаждение любого газа возможно буквально до 0о по Кельвину почти мгновенно. Может быть, в космосе КПД производства было бы выше? Ответ неоднозначный: и да, и нет. Все эти факторы действительно могли бы существенно улучшить передачу энергии на полезную работу. Но доставить на нужную высоту даже тысячу тонн пока что неимоверно дорого. Даже если такая фабрика проработает пятьсот лет, она не окупит затраты на подъем оборудования, поэтому фантасты так активно эксплуатируют идею космического лифта — это значительно упростило бы задачу и сделало бы коммерчески выгодным перенос фабрик в космос.

Принцип работы АЭС

Принцип работы атомной электростанции основан на действии ядерного (иногда называемого атомным) реактора – специальной объёмной конструкции, в которой происходит реакция расщепления атомов с выделением энергии.

Существуют различные виды ядерных реакторов:

1. PHWR (также имеет название «pressurised heavy water reactor» — «тяжеловодный ядерный реактор»), используемый преимущественно на территории Канады и в городах Индии. В его основе используется вода, формула которой — D2O. Она выполняет функцию как теплоносителя, так и замедлителя нейтронов. Коэффициент полезного действия близится к 29%;
2. ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). В настоящее время ВВЭР эксплуатируют только в СНГ, в частности, модель ВВЭР-100. Реактор имеет КПД равный 33%;
3. GCR, AGR (графитоводный). Жидкость, содержащаяся в таком реакторе, выступает в роли теплоносителя. В данной конструкции замедлитель нейтронов — графит, отсюда и название. КПД составляет около 40%.

По принципу устройства реакторы также делят на:

• PWR (pressurised water reactor) – устроен так, что вода, находящаяся под определенным давлением, замедляет реакции и подает тепло;
• BWR (сконструирован таким образом, что пар и вода находятся в главной части устройства, не имея водяного контура);
• РБМК (канальный реактор, имеющий особенно большую мощность);
• БН (система работает за счет быстрого обмена нейтронами).

Устройство и структура атомной электростанции. Как работает АЭС?

Устройство АЭС

Типичная атомная электростанция состоит из блоков, внутри каждого из которых размещены различные технические приспособления. Самый значимый из таких блоков – комплекс с реакторным залом, обеспечивающий работоспособность всей АЭС. Он состоит из следующих устройств:

• реактора;
• бассейна (именно в нем хранят ядерное топливо);
• машины, перегружающие топливо;
• БЩУ (щит управления в блоках, с помощью него за процессом деления ядра могут наблюдать операторы).

Помимо прочего, имеется блок с бассейнами для отработанного топлива и специальные блоки, предназначенные для охлаждения (они называются градирнями). Кроме того, для охлаждения применяются распылительные бассейны и природные водоемы.

Принцип работы АЭС

На всех без исключения АЭС существует 3 этапа преобразования электрической энергии:

• ядерная с переходом в тепловую;
• тепловая, переходящая в механическую;
• механическая, преобразовывающаяся в электрическую.

Уран отдает нейтроны, вследствие чего происходит выделение тепла в огромных количествах. Горячая вода из реактора прокачивается насосами через парогенератор, где отдает часть тепла, и снова возвращается в реактор. Поскольку эта вода находится под большим давлением, она остается в жидком состоянии(в современных реакторах типа ВВЭР около 160 атмосфер при температуре ~330 °C). В парогенераторе это тепло передается воде второго контура, которая находится под гораздо меньшим давлением (половина давления первого контура и менее), поэтому закипает. Образовавшийся пар поступает на паровую турбину, вращающую электрогенератор, а затем в конденсатор, где пар охлаждают, он конденсируется и снова поступает в парогенератор. Конденсатор охлаждают водой из внешнего открытого источника воды (например, пруда-охладителя).

И первый и второй контур замкнуты, что снижает вероятность утечки радиации. Размеры конструкций первого контура минимизированы, что также снижает радиационные риски. Паровая турбина и конденсатор не взаимодействуют с водой первого контура, что облегчает ремонт и уменьшает количество радиоактивных отходов при демонтаже станции.

Человек и механизм

Что объединяет стиральную машинку и консервный завод? Желание человека снять с себя необходимость делать все самостоятельно. До изобретения парового двигателя в распоряжении людей были только их мускулы. Они все делали сами: пахали, сеяли, готовили, добывали рыбу, ткали лен. Чтобы обеспечить выживание долгой зимой, каждый член крестьянской семьи работал светлое время суток с двух лет до самой смерти. Самые маленькие дети приглядывали за животными и были на подмоге (принеси, скажи, позови, отведи) у взрослых. Девочку впервые сажали за прялку в пять лет! Даже глубокие старики резали ложки и плели лапти, а самые пожилые и немощные бабушки сидели за ткацкими станками и прялками, если позволяло зрение. Им некогда было задумываться над тем, что такое звезды и почему они светят. Люди уставали: каждый день надо было идти и работать, невзирая на состояние здоровья, боль и моральный настрой. Естественно, человек хотел обрести помощников, которые хоть чуть-чуть разгрузили бы его натруженные плечи.

Работа и тепло

Коэффициент полезного действия (сокращенно КПД) – это безразмерная величина. Она определяется в процентах и вычисляется как соотношение затраченной энергии к полезной работе. Последний термин часто используют мамы нерадивых подростков, когда принуждают их делать что-то по дому. Но на самом деле это реальный результат затраченных усилий. То есть если КПД машины 20%, то она только одну пятую полученной энергии превращает в действие. Теперь при покупке автомобиля у читателя не должно возникнуть вопроса, что такое КПД двигателя.

Если коэффициент вычисляется в процентах, то формула такая:

η=100%*(A/Q)

η – КПД, A – полезная работа, Q – затраченная энергия.

Другие похожие показатели

Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «коэффициент полезного действия», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.

КПД котлов

Основная статья: Тепловой баланс котла

КПД котлов на традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара. В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания, учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.

Тепловые насосы и холодильные машины

Основные статьи: Тепловой насос и Холодильная машина

Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу. Холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса.

Эффективность машин характеризует

εX=QXA{\displaystyle \varepsilon _{\mathrm {X} }=Q_{\mathrm {X} }/A},

где QX{\displaystyle Q_{\mathrm {X} }} — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); A{\displaystyle A} — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

εΓ=QΓA{\displaystyle \varepsilon _{\Gamma }=Q_{\Gamma }/A},

где QΓ{\displaystyle Q_{\Gamma }} — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; A{\displaystyle A} — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

В идеальной машине QΓ=QX+A{\displaystyle Q_{\Gamma }=Q_{\mathrm {X} }+A}, отсюда для идеальной машины εΓ=εX+1{\displaystyle \varepsilon _{\Gamma }=\varepsilon _{\mathrm {X} }+1}

Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент

ε=TXTΓ−TX{\displaystyle \varepsilon ={T_{\mathrm {X} } \over {T_{\Gamma }-T_{\mathrm {X} }}}},

где TΓ{\displaystyle T_{\Gamma }}, TX{\displaystyle T_{\mathrm {X} }} — температуры горячего и холодного концов, K. Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики, поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

Мощность и кпд источника электрической энергии.

В любой замкнутой электрической цепи источник затрачивает электрическую энергию W_ист на перемещение единицы положительного заряда по всей цепи: и на внутреннем и на внешнем участках.

Энергия источника определяется выражением:

Энергия источника (полезная), которая расходуется на потребителе:

W = UIt;

Энергия источника (потери), которая расходуется на внутреннем сопротивлении источника: W=UIt;

Преобразование электрической энергии в другие виды энергий происходит с определенной скоростью. Эта скорость определяет электрическую мощность элементов электрической цепи:

Мощность источника определяется соотношением:

Мощность потребителя определяется соотношением:

Коэффициент полезного действия КПД электрической цепи η определяется отношением мощности потребителя к мощности источника:

Закон Джоуля — Ленца

Ток, протекая по проводнику, нагревает его (в этом случае электрическая энергия преобразуется в тепловую). Количество выделенного тепла будет определяться количеством электрической энергии, затраченной в этом проводнике.

Коэффициент 0,24 (электротермический эквивалент) устанавливает зависимость между электрической и тепловой энергией.

Режимы работы электрических цепей.

В электрических цепях все основные элементы делятся на активные и пассивные. Активными считаются элементы, в которых преобразование энергии сопровождается возникновением ЭДС (аккумуляторы, генераторы). Элементы, в которых ЭДС не возникает, называются пассивными.

Параметры электрических цепей:

1.Ток в замкнутой цепи :

2.Напряжение на клеммах источника:

3.Падение напряжения на сопротивлении источника:

4.Полезная мощность (мощность потребителя):

Электрические цепи могут работать в трех режимах:

· режим холостого хода (цепь разомкнута) R=∞:

· режим короткого замыкания R=0:

· режим нагрузки R≠0:;

Условие максимальной отдачи мощности: полезная мощность максимальна, когда сопротивление потребителя R станет равным внутреннему сопротивлению источника R.

КПД при максимальной отдаче мощности равно 50%, к 100% КПД приближается в режиме, близком к холостому ходу.

93.79.221.197 studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock! и обновите страницу (F5)очень нужно

КПД атомной электростанции

Наиболее высокий КПД (92-95%) – достоинство гидроэлектростанций. На них генерируется 14% мировой электро мощности.

Однако, этот тип станций наиболее требователен к месту возведения и, как показала практика, весьма чувствителен к соблюдению правил эксплуатации.

Пример событий на Саяно-Шушенской ГЭС показал, к каким трагическим последствиям может привести пренебрежение правилами эксплуатации в стремлении снизить эксплуатационные издержки.

Высоким КПД (80%) обладают АЭС. Их доля в мировом производстве электроэнергии составляет 22%.

Но АЭС требуют повышенного внимания к проблеме безопасности, как на стадии проектирования, так и при строительстве, и во время эксплуатации.

Малейшие отступления от строгих регламентов обеспечения безопасности для АЭС, чревато фатальными последствиями для всего человечества.

Пример тому авария на АЭС в Чернобыле и японское землетрясение в марте 2011 года, приведшее к аварии на АЭС, расположенной на острове Хонсю, в городе Окума, префектуры Фукусима.

Кроме непосредственной опасности в случае аварии, использование АЭС сопровождается проблемами безопасности, связанными с утилизацией или захоронением отработанного ядерного топлива.

КПД тепловых электростанций не превышает 34%, на них вырабатывается до шестидесяти процентов мировой электроэнергии.

Кроме электроэнергии на тепловых электростанциях производится тепловая энергия, которая в виде горячего пара или горячей воды может передаваться потребителям на расстояние в 20-25 километров. Такие станции называют ТЭЦ (Тепло Электро Централь).

ТЕС и ТЕЦ не дорогие в строительстве, но если не будут приняты специальные меры, они неблагоприятно воздействуют на окружающую среду.

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду зависит от того, какое топливо применяется в тепловых агрегатах.

Наиболее вредны продукты сгорания угля и тяжёлых нефтепродуктов, природный газ менее агрессивен.

ТЭС являются основными источниками электроэнергии на территории России, США и большинства стран Европы.

Однако, есть исключения, например, в Норвегии электроэнергия вырабатывается в основном на ГЭС, а во Франции 70% электроэнергии генерируется на атомных станциях.

Потери и реальность

Наверняка все эти рассуждения вызывают недоумение. Почему бы не изобрести машину, которая может использовать больше энергии топлива? Увы, реальный мир не таков. В школе дети решают задачи, в которых нет трения, все системы замкнуты, а излучение строго монохроматическое. Настоящие инженеры на заводах-производителях вынуждены учитывать присутствие всех этих факторов. Рассмотрим, например, что такое КПД теплового двигателя, и из чего этот коэффициент складывается.

Формула в данном случае выглядит так:

η=(Q₁-Q₂)/Q₁

При этом Q₁ – количество теплоты, которое двигатель получил от нагревания, а Q₂ – количество теплоты, которое он отдал в окружающую среду (в общем случае это называется холодильником).

Топливо нагревается и расширяется, сила толкает поршень, который приводит в действие вращательный элемент. Но топливо содержится в каком-то сосуде. Нагреваясь, оно передает тепло и стенкам сосуда. Это приводит к потерям энергии. Чтобы поршень опустился, газ надо охладить. Для этого его часть выпускается в окружающую среду. И было бы хорошо, если все тепло газ отдал на полезную работу. Но, увы, он охлаждается очень медленно, поэтому наружу выходит еще горячий пар. Часть энергии тратится на то, чтобы нагреть воздух. Поршень движется в полом металлическом цилиндре. Его края плотно прилегают к стенкам, при движении вступают в действие силы трения. Поршень нагревает полый цилиндр, что тоже приводит к потере энергии. Поступательное движение стержня вверх-вниз передается на крутящий момент через ряд соединений, которые трутся друг об друга и нагреваются, то есть часть первичной энергии расходуется еще и на это.

Конечно, в заводских машинах все поверхности полируются до атомарного уровня, все металлы прочны и имеют наименьшую теплопроводность, а масло для смазывания поршней обладает наилучшими свойствами. Но в любом двигателе энергия бензина идет на нагрев частей, воздуха и трения.

Расчет КПД электрической цепи

После определения основных параметров можно перейти к изучению эффективности системы. Для вычисления КПД обозначение потребления электроэнергии удобно сделать по стандартным формулам.

Определить мощность можно по следующим соотношениям силы тока, напряжения, электрического сопротивления

Выполняемая работа в цепи определяется количеством перемещенных зарядов, а также скоростью данного процесса. Для объективной оценки последнего параметра измерения выполняют с учетом определенных временных интервалов (Δt). Работу и мощность можно определить следующими формулами:

• A = P * Δt;
• P = A / Δt.

Как и в классической механике, работу можно измерить в джоулях (Дж). Мощность, по стандартам СИ, указывают в ваттах (Вт). Зависимость между отмеченными единицами:

Вт = Дж/ с (для электрических цепей вольт * ампер).

Для обозначения КПД символ «η» применяют в типовых формулах. Базовое определение с учетом приведенных замечаний можно преобразовать следующим образом:

η = A / Q * 100%,

где:

• A – выполненная работа;
• Q – энергия, полученная из источника.

Как найти КПД, формула для полной цепи

Любое подключенное устройство характеризуется определенными потерями. Резистор выделяет тепло. Трансформатор тратит часть энергии на преобразование электромагнитных волн. На примере лампы накаливания показана низкая эффективность изделия. С применением КПД увеличивают объективность оценки разных систем, подключаемых потребителей, генераторов. В следующем пункте представлена технология проверки силовых агрегатов.