+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

КПД электродвигателя

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

Расчет потерь в электродвигателе

  • Для расчета потерь в электродвигателе используют специальные формулы. Часть мощности, которая подается к статору из электросети, передается на ротор через зазор. Рэм – это электромагнитная мощность.
  • Потери мощности непосредственно в статоре – это слагаемое потерь на вихревые токи и на частичное перемагничивание сердечника самого статора. Если рассматривать потери в стали, они настолько незначительные, что редко принимаются во внимание. Объяснить такое можно достаточно просто. Скорость вращения самого статора электродвигателя значительно выше скорости, создаваемой магнитным потоком. Так происходит только в том случае, если скорость вращения ротора полностью соответствует техническим характеристикам электромотора, заявленным производителем.
  • Механическая мощность на валу ротора, как правило, меньше мощности Рэм ровно на количество потерь в обмотке. Механические потери в основном приходятся на определенное трение в подшипниках, а также на трение щеток, что характерно для электродвигателей с фазными роторами и на трение вращающихся частей, встречающих воздушную преграду.
  • Добавочные потери в асинхронных электродвигателях обусловлены наличием зубчатости статора и ротора, вихревых потоков в разных узлах электродвигателя и иными потерями. При расчете такие потери уменьшают КПД электродвигателя на половину процента от номинальной мощности.

КПД электродвигателя в расчетах

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

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

Просмотров: 13796

Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013

Энергетические соотношения и КПД машин постоянного тока

Мощность и потери. Характер подводимой к машине мощности зависит от ее режима работы: у генераторов это механическая мощность P1 = k1Mn, у двигателей – электрическая мощность P1 =UI. Характер снимаемой с машины полезной мощности – противоположный: у генератора это электрическая мощность

P2 = UI, у двигателя – механическая P2=k2Mn. В машине всегда есть мощность потерь ∆Р, которая складывается из мощности электрических потерь (потери в меди) ∆Рэл = RI2, идущих на нагрев обмоток, мощности магнитных потерь (потери в стали) ∆Рмаг, мощности механических потерь (потери на трение) ∆Рмех и мощности добавочных потерь  ∆Рдоб ≈ 0,01 Рном, где Рном – номинальная мощность. Таким образом, ∆Р = ∆Рмех + ∆Рмаг + ∆Рэл +∆Рдоб и  Р1 = Р2 + ∆Р.

КПД машины. КПД машины можно рассчитать по формуле η = P 2 / P1

. При экспериментальном определении КПД проще и, главное, точнее измерять не механическую мощность, а электрическую, и рассчитывать потери. Поэтому для определения КПД генератора пользуются формулой

η = P2 / (P2 + ∆Р)

и КПД двигателя

η = (P1 —  ∆Р) / Р1.

КПД машин постоянного тока растет с увеличением мощности машин. Так, у микромашин мощностью до 0,1 кВт он составляет всего 30 – 40 %, у машин мощностью 10 кВт – 83 % и у машин 1000 кВт  —  96 %.

КПД меняется также в зависимости от нагрузки (рис. 1.15). Из графика следует, что при малых нагрузках КПД резко падает, поэтому недогруженную машину невыгодно эксплуатировать.

Определение кпд электрического двигателя. Кпд электродвигателей и что влияет на его значение

Разработан электродвигатель нового типа

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

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

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

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

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

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

Сравнение электродвигателя без противоЭДС с обычным, по мощности потребления

Для простоты анализа возьмем любой коллекторный или вентильный двигатель . Он состоит из ротора и статора. Обмотки возбуждения могут быть как на роторе со статором, так и только на одном роторе или статоре (если используются постоянные магниты возбуждения). При подаче напряжения на двигатель , ротор и статор начинают двигаться относительно друг друга, при этом в обмотках якоря или статора (если ротор возбуждается

постоянными магнитами ), индуцируется ЭДС, направленная всегда против напряжения внешнего источника питания. По мере увеличения числа оборотов ротора (действительной или кажущейся линейной скорости движения проводника относительно магнитного поля возбуждения) ток в обмотках под действием этой ЭДС уменьшается, соответственно уменьшается, и вращающий момент. Для его увеличения приходится повышать напряжение (мощность) питания электродвигателя . В современных электродвигателях практически вся мощность, подводимая для питания, расходуется на преодоление противодействующей ЭДС.

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

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

В результате сравнительного анализа мы видим, что использование электродвигателя без противоЭДС способно в корне изменить всю экономику человечества. Это один из способов навсегда отказаться от использования органического топлива для энергетических и транспортных потребностей человечества. В самом деле, подобные электродвигатели, возможно, соединить на одном валу с генераторами небольшой мощности и получить самопитаемую систему! Только для запуска требуется аккумулятор. А ведь есть еще и разработки безтопливных генераторов, которые могут использоваться совместно с электродвигателями данного типа. При этом возникает большая экономия, так как требуется генератор гораздо меньшей мощности. Совместное использование БТГ и описанных

электродвигателей позволит в ближайшем будущем выпускать абсолютно автономные электромобили, способные двигаться без всякого топлива до тех пор, пока не износятся механически. На таком принципе можно строить большинство известных сегодня транспортных средств. В том числе и самолеты, и даже космические аппараты, ведь есть варианты и электрических полевых устройств, создающих тягу без отбрасывания массы. Это совершенно новая эра в истории человечества и трудно даже предположить последствия применения подобных конструкций.

Двигатель прост по конструкции и недорог.

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

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

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

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

Магнитные потери мощности

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

Механические и электрические потери

Механические потери при работе электродвигателя, как и магнитные, относятся к числу постоянных. Они складываются из потерь на трение подшипников, на трение щеток, на вентиляцию двигателя. Минимизировать механические потери позволяет использование современных материалов, эксплуатационные характеристики которых совершенствуются из года в год. В отличие от них электрические потери не являются постоянными и зависят от уровня нагрузки электродвигателя. Чаще всего они возникают вследствие нагрева щеток, щеточного контакта. Падает коэффициент полезного действия (КПД) от потерь в обмотке якоря и цепи возбуждения. Механические и электрические потери вносят основной вклад в изменение эффективности работы двигателя.

Добавочные потери

Добавочные потери мощности в электродвигателях складываются из потерь, возникающих в уравнительных соединениях, из потерь из-за неравномерной индукции в стали якоря при высокой нагрузке. Вносят свой вклад в общую сумму добавочных потерь вихревые токи, а также потери в полюсных наконечниках. Точно определить все эти значения довольно сложно, поэтому их сумму принимают обычно равной в пределах 0,5-1%. Эти цифры используют при расчете общих потерь для определения КПД электродвигателя.

КПД и его зависимость от нагрузки

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

КПД электрического двигателя не является величиной постоянной, своего максимума он достигает при нагрузках около 80% мощности. Достигает он пикового значения быстро и уверенно, но после своего максимума начинает медленно уменьшаться. Это связывают с возрастанием электрических потерь при нагрузках, более 80% от номинальной мощности. Падение коэффициента полезного действия не велико, что позволяет говорить о высоких показателях эффективности электродвигателей в широком диапазоне мощностей.

Коэффицент полезного действия электродвигателя

Правильный выбор электродвигателя напрямую связан с его КПД, потери КПД электродвигателя это бич промышленности и производства. Реактивные токи, сильный нагрев электродвигателя, понижение мощности и в целом складывается потеря КПД электродвигателя.

В любом электродвигателе электрическая энергия с потерей мощности превращается в механическую энергию. Потери складываются из нескольких факторов, которые я перечислю ниже.

Причины полных потерь КПД в электродвигателе

1. Магнитные (в железе статора и ротора перемагничивание, плюс еще и вихревые токи)

2. Электрических (обмотки статора и ротора)

3. Механические потери (трение подшипников и т.д.)

КПД (коэффициент полезного действия электродвигателя) это – сравнивание отдаваемой механической энергией электродвигателя с потребляемой электродвигателем электрической энергией. Более проще звучит так, скушал электричества на три рубля, а отдал на рубль, да еще и нагрелся.

Для электродвигателя с коротко замкнутым ротором мощностью 1-17 kW КПД, как правило, равно 0.78 – 0,87, для тех кто не слишком в теме чуть разъясню. Для двигателя в 15 kW потеря в 1950 ватт считается нормой. Для любопытных поясняю эта электроэнергия преобразуется в тепло в результате, которого электродвигатель нагревается.

Охлаждение электродвигателя происходит с помощью вентилятора, который прогоняет воздух через специальные воздушные зазоры. Допускаемая норма нагрева электродвигателя класса А порядка 85 – 90С для класса В 110С градусов. Из своего опыта могу сказать если при прикосновении рука терпит, значит этот двигатель еще поработает, ну а если руку нельзя держать больше двух секунд то дело плохо и межвитковое замыкание статора уже совсем близко. Охлаждение электродвигателя это тема для другой статьи и мы к ней еще вернемся.

КПД Эл. Двигателя также зависит от нагрузки и зависимости от нагрузки меняет свое значение.

Холостой ход – КПД 0

1/4 нагрузки — КПД 0,83

1/2 нагрузки — КПД 0,87

3/4 нагрузки – КПД 0,88

Если в сети асимметрия токов то это тоже фактор снижения КПД электродвигателя. (на трех фазах разный вольтаж) Ниже на таблице приведен пример.

Многие спрашивают от чего зависит КПД электродвигателя? — из выше перечисленных фактов мы познакомились с этим термином, в общих чертах. Для каждого типа электродвигателя свои параметры, влияющие на его коэффициент полезного действия. Прежде чем устанавливать электрооборудование необходимо просчитать все факторы, негативно влияющие на КПД электродвигателя.

Анонс : Для любителей все делать своими руками предлагаем статью Сложный ремонт дрели зачем нести в мастерскую когда можно отремонтировать самому.

Инструкция

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

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

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

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

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

Обратите внимание

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

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

Вам понадобится

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

Инструкция

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

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

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

Видео по теме

Обратите внимание

Во всех расчетах КПД должен быть меньше 100%.

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

Вам понадобится

  • Компьютер, кабель, специальная программа, динамометрический стенд.

Инструкция

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

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

Видео по теме

Дефицит электроэнергии отмечается во многих странах, в том числе промышленно развитых и имеющих большой энергетический потенциал. Проблема встала настолько остро, что требование увеличить КПД электродвигателей, используемых в промышленности, прозвучало с самых высоких трибун. Стандарты на минимальную энергоэффективность были приняты в США и ЕС, других странах. Использование оборудования, КПД электродвигателей которого будет не менее 95%, способно не только сделать рентабельным многие производства за счет экономии средств на оплату электроэнергии, но и улучшить экологическую ситуацию во многих регионах планеты. От чего же зависит этот коэффициент?

Любой электродвигатель потребляет определенное количество электрической энергии и отдает энергию механическую. Сравнение их величин и называется КПД электродвигателей, чем выше этот показатель, тем эффективнее работает мотор. Добиться 100% отдачи невозможно, а вот приблизиться к этой величине максимально близко — задача выполнимая. Сегодня большинство силовых агрегатов имеют КПД в районе 80-90%. Потери складываются из самых разных факторов, в числе которых основными являются следующие:

  • магнитные потери в статоре;
  • вихревые токи;
  • перемагничивание ротора;
  • электрические потери в обмотках статора и ротора;
  • трение подшипников, геометрия зубьев;
  • толщина изолирующего слоя обмотки.

Все это влияет на КПД электродвигателя постоянного тока, снижает эффективность самых современных асинхронных моторов. Так же на уменьшение КПД оказывает влияние необходимость охлаждения двигателя, ведь вентилятор так же потребляет электрическую энергию. Не следует забывать и о нагрузке: КПД двигателя на холостых оборотах равен нулю, а своего максимума обычно коэффициент достигает на ¾ нагрузки.

Как повысить КПД электродвигателя

Увеличение КПД асинхронными двигателями может быть достигнута за счет использования более качественных материалов и усовершенствования конструкции. Это позволить снизить потери и эффективность двигателя станет выше. Например, чем чище медь в обмотке, тем меньше ее сопротивление, а более качественная магнитная сталь позволит уменьшить потери на перемагничивание. В результате будут меньше потери мощности и двигатель будет греться не так сильно. Отсюда вытекает заключение, что на его охлаждение будет тратиться меньше энергии, потребляемой вентилятором.

Позволит повысить КПД двигателя более тонкий слой изоляции обмоток, работа над такими материалами ведется постоянно. Еще одним перспективным направлением является работа над изменением геометрии зубьев двигателя, которая позволит увеличить концентрацию магнитного поля и избежать потерь за счет рассеивания энергии. Расчет КПД электродвигателя обычно учитывает и асимметрию тока. Если на разных фазах напряжение существенно отличается, то это может снизить коэффициент на 5-7%, а это значительная величина. Устранение проблем электросети, таким образом, становится прекрасным способом увеличить КПД используемого оборудования.

Сосредотачиваться на какой-то одной проблеме при разработке двигателя — это путь в никуда. Только комплексное решение проблем позволит повысить КПД до высоких значений. При этом владельцы производственного оборудования не должны забывать, что работать эффективный двигатель должен с не менее экономичными трансмиссиями. Если электродвигатель с КПД в 95% подключить к изношенной передаче, выдающей максимум 50-60%, то об экономии электроэнергии можно будет забыть.

Расчет кпд вечных двигателей

УДК 62-932.2

Все прекрасно знают, что кпд не может быть больше 1, т.е. больше 100%. И это совершенно понятно, т.к. иначе этот коэффициент теряет свой смысл. Таким образом, мы не можем получить энергии больше, чем затратили. Верно? Ведь кпд не может быть больше 1 по определению! А поскольку кпд равен отношению полезной энергии к затраченной, полезная энергия ну никак не может быть больше, чем затраченная энергия. Вроде бы всё верно и всё логично. Но это лишь вроде бы. А если копнуть поглубже, то оказывается, что в науке произошла страшная путаница. Это выражается в том, что по этой формуле нельзя рассчитать, например, кпд магнита и электрета, которые могут совершать работу против гравитационного поля Земли хоть 100 лет подряд, поднимая с неё различные предметы. Спрашивается, какой у них кпд и откуда они берут энергию? Так вот, от таких нескромных вопросов официальная лженаука стыдливо отводит глаза в сторону и начинает мямлить что-то себе под нос про работу, совершаемую потенциальным полем, кпд которой, почему-то, никак нельзя посчитать, ибо работа хоть и совершается, но энергия ни откуда не убывает. К тому же, в серьёзной научной литературе можно встретить такую откровеннейшую бредятину как электрон отдаёт энергию полю. Поле может передать энергию электрону, а вот электрон полю не может её передать при всём желании. А все эти казусы с полями и их энергиями появились тогда, когда добрые дяди промыли нам всем мозги относительно истинной формулы расчёта кпд. Что ж, заглянем в один из авторитетнейших источников информации в мире – Большую Советскую Энциклопедию, с робкой надеждой на просветление в уму.

КПД – характеристика эффективности системы в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно .

Вот оно как получается! Читаем дальше.

В технической литературе кпд иногда определяют т.о., что он может оказаться больше единицы. Подобная ситуация возникает, если определять кпд отношением , где Wпол – используемая энергия, получаемая на выходе системы, Wзатр – не вся энергия, поступающая в систему, а лишь та её часть, для получения которой производятся реальные затраты. Например, при работе полупроводниковых термоэлектрических обогревателей затрата электроэнергии меньше количества теплоты, выделяемой термоэлементом. Избыток энергии черпается из окружающей среды. При этом, хотя истинный кпд установки меньше единицы, рассмотренный кпд η = оказаться больше единицы.

Во как! Оказывается, полученная энергия запросто может оказаться больше затраченной и, следовательно, кпд, рассчитываемый по формуле η = может запросто равняться 2, 3, 10, 15, 100 и т.д.!! Так что же это за кпд такой, который может равняться 10000%??? Правильно, ни какой это не кпд, а фигня на постном масле! Пресловутая формула η = – это злостная подмена понятий и наглое переопределение терминов! Вообще непонятно, откуда взялась эта формула. Но это теперь и не важно, т.к. мы всё-таки докопались до истины, узнав подлинную формулу для расчёта кпд. А теперь, давайте с вами разберёмся, что же это за новое для многих из нас понятие – суммарная энергия системы. Не знаю, как вы, но лично я предпочитаю термин полная энергия системы.

Итак, что же это такое? Ну, здесь без вариантов: энергия любой системы складывается из внутренней энергии самой системы и внешней энергии, сообщаемой системе извне. Говоря немного другими словами, внутренняя энергия системы – это та энергия, которую мы хотим получить из системы, а внешняя энергия – это та энергия, которую мы вынуждены затратить, чтобы система начала нам отдавать свою внутреннюю энергию. Разумеется, нам нет никакого резона затрачивать на ту или иную систему свою энергию, если при этом она не будет отдавать нам больше того, что мы в неё вложили. Это прекрасно знает любой инвестор, который вкладывает свою энергию в ту или иную экономическую систему. Но, вот курьёз, инвесторы, экономисты, да даже обычные люди это понимают, а умудрённые сединами профессора физики этого не понимают и упорно продолжают настаивать на агрегатах, пожирающие больше энергии, чем отдают! А те, которые отдают больше, чем получают – засекречивают и прячут в чулан, на дальнюю полку, словно и не было никогда ничего такого. Как такое вообще возможно? Если бы такой бедлам творился в мировой экономике, то вся человеческая цивилизация давно бы уже укатилась коту под хвост!

Представьте себе на минуточку, что на каждый посеянный центнер зерна вырастала бы не 1 тонна зерна, как то полагается, а 90 кг зерна! А агроном с тремя дипломами и с учёной степенью, рассказывал бы вам, какой это замечательный кпд – аж целых 90%, и что они работают над новыми, усовершенствованными сортами зерна, которое будет иметь кпд 95%, т.е. давать аж целых 95 кг на каждые 100 кг зерна! Да мы бы уже все давно с голоду повымерли с таким кпд! К счастью, в сельском хозяйстве ничего похожего нет, но, к несчастью, это есть в физике, и, как следствие, в технике, промышленности и энергетике… По-моему, пора с этим заканчивать!

Или вот другой пример.

Возьмём балерину. Дабы быть в форме, балерины сидят» на очень строгой диете – их рацион составляет не более 1000 ккал в день. При этом затрачивают балерины за один рабочий день порядка 8000 ккал. Если бы организм балерины получал энергию из пищи, как из некоего «топлива», как нам это преподносят умные мира сего, то балерине хватало бы сил разве что лежать целый день на диване.

Итак, выводы.

  1. Внутренняя энергия системы – это энергия, могущая быть высвобожденной, т.е. могущая стать полезной при определённых условиях, на создание которых необходимо затратить порцию внешней энергии.
  2. Полная энергия системы – это сумма полезной и затраченной энергии в рамках данной системы.
  3. Истинная формула для расчёта кпд выглядит следующим образом:
  4. η = ,

    где:

    Wпол — полезная энергия системы;

    Wзатр — затраченная энергия системы;

    Wсум — суммарная энергия системы.

  5. Вечный двигатель – это система, преобразующая свою внутреннюю энергию в полезную нам энергию, при условии, что полезная энергия превышает затраченную энергию, сообщаемую этой системе с целью создания условий для отбора энергии, при котором система возобновляет свою энергию из окружающей среды.

Ну и напоследок – небольшая история о том, как преподавали работу магнетрона в далёком 1974 году.

В 1974 году на стенде – магнетронной установке непрерывного действия разработки Алексея Михайловича Бонч-Бруевича мощностью 300 Вт – пытливые студенческие умы выполняли одну из лабораторных работ. Анодное напряжение на магнетроне составляло 630 В. Анодный ток составлял 1,5 мА. Выход энергии – на активное сопротивление. Спираль нагревалась докрасна.

Преподаватели на отчёте по лабораторной работе долбали студентов вопросами:

Откуда мощность (энергия) в нагрузке, превышающая мощность от анодного источника?

Отвечали, что это ОТНИМАЕТСЯ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ в электронно-плазменном роторе между катодом и анодом.

Спрашивали: Что делает источник анодного напряжения, работающий на холостом ходу, и для чего нужен постоянный магнит?

О. Для создания УСЛОВИЙ, при которых возможен отбор ВНУТРЕННЕЙ энергии электронно-плазменного ротора.

С. Как рассчитывать кпд, если на выходе около 300 Вт, а магнит – ДАРОВОЙ, при этом анодный источник на холостом ходу?

О. 300 ватт в числителе делим на ПОЛНУЮ энергию системы.

С. Что такое ПОЛНАЯ энергия системы?

О. Это полезная энергия + энергия дарового магнита + энергия анодного источника на холостом ходу. Поэтому кпд был МЕНЬШЕ 100%.

Такие ответы уже были достаточны для ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ оценки.

УДК 536.72

  Покажите мне изолированную систему,
и я докажу, что она является открытой.

Народная мудрость

Так уж сложилось, что закон сохранения энергии – это святая святых официальной лженауки, а его нарушение влечёт за собой самые тяжёлые последствия: от публичных высмеиваний и блокировок на интернет-форумах, административных санкций до применения карательной психиатрии и высшей меры наказания – смерти. В России даже создана специальная комиссия для борьбы с нарушителями сего закона.

Вот общепринятая, официальная формулировка закона сохранения энергии.

В изолированной системе количество энергии остается постоянным. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает бесследно; она лишь переходит из одной формы в другую.

И действительно, для изолированной системы подобное утверждение более чем справедливо. Однако возникает вопрос: где во Вселенной существуют изолированные системы???

Как показывает практика – нигде, ибо даже в подземном царстве, в бункере на глубине 3 км, окружённом 10-метровой свинцовой стеной, будут присутствовать неэкранируемые излучения и поля. Поэтому, даже там не может существовать на 100% изолированная система, не говоря уже о других местах. Ну а если система изолирована не на 100%, а, скажем, на 99,9%, то, говоря неумолимо строгим языком науки, это никакая не изолированная система – это система открытая. А энергия открытой системы, как известно, может меняться. И она меняется! Вот только официальная лженаука этого в упор не видит, и видеть не хочет. Ну а те, кто это видит и понимает, подвергаются репрессиям со стороны Комиссии по борьбе с лженаукой и её вездесущих боевиков – троллей-комментаторов.

Резюмируем вышесказанное.

  1. Закон сохранения энергии справедлив только для изолированных систем.
  2. Изолированных систем во Вселенной не существует, равно как и сама видимая Вселенная таковой не является.
  3. В открытых системах закон сохранения энергии не выполняется.

Итак, с этим более-менее разобрались. Однако на повестке дня ещё один важный вопрос.

Постулат о невозможности совершения полезной работы потенциальным полем.

Официальная лженаука в лице гинзбургов, кругляковых и иже с ними глаголит, что

суммарная работа потенциального поля при перемещении тела по замкнутой траектории равна нулю.

И действительно, трудно с этим не согласиться. Но далее эта самая лженаука в лице вышеупомянутых индивидуумов впадает в откровенную… логическую ошибку под названием некорректное следствие и утверждает:

…а поэтому потенциальное поле не может использоваться для совершения полезной работы,

что есть величайшая и откровенная ложь. Почему ложь? Да потому что, исходя из вот этой формулировки, получается, будто бы тела могут двигаться лишь по замкнутым траекториям, что не соответствует действительности и является, по сути дела, намеренной промывкой мозгов.

Возьмём для примера кирпич, лежащий на самом краю стола. Толкаем его мизинчиком, он падает и… раскалывает орех, совершая тем самым полезную работу. Следовательно, постулат о невозможности совершения полезной работы потенциальным полем экспериментально опровергнут. Вот так просто.

Но это ещё не всё! Ещё возникает вопрос: откуда взялась энергия для раскалывания ореха??? Из кирпича? Нет. От мизинца? Конечно же, нет. Так откуда же? Интуиция нам подсказывает, что из гравитационного поля. Но, если это действительно так, то, следуя логике закона сохранения энергии, энергия гравитационного поля должна уменьшиться! К несчастью, гравитационное поле совершенно неграмотно, и о законе сохранения энергии ничего не слышало, поэтому энергия его не уменьшится. Получается, что энергия взялась в прямом смысле слова из ниоткуда!!! Как же так?! Лженаука!!!

Другой пример. Возьмём постоянный магнит и прикрепим его снизу к тому столу, на котором до этого лежал кирпич. Далее поднесём к магниту соответствующую ему по весу груз, например, гирьку. При достаточном их сближении произойдёт чудо: гирька воспарит вверх и, устремившись к магниту, сольётся с ним в крепких объятьях. Итак, полезная работа снова совершена – гирька поднята.

Откуда взялась энергия??? – спрашивается в задаче. Из гирьки? Нет. Из воздуха? Тоже нет. Так откуда же? По идее, из магнитного поля. Но тогда, в соответствии с логикой закона сохранения энергии, энергия магнитного поля должна уменьшиться! Но магнитное поле столь же неграмотно, как и гравитационное, поэтому энергия его останется прежней.

Получается, что и здесь энергия взялась из ниоткуда!!! Опять лженаука!!!

Ну и третий пример. Возьмём электрет. В поле этого электрета будут самопроизвольно ускоряться электроны, протоны, ну и прочие заряженные частицы. Спрашивается: откуда берётся энергия на их ускорение? Из электрического поля? Если так, то, следуя логике закона сохранения энергии, энергия поля должна уменьшиться. Однако его энергия не уменьшится хотя бы потому, что пролетающим мимо частицам не под силу хоть как-то повлиять на поляризацию электрета. Снова энергия берётся из ниоткуда!

— Каравул!!! Кругом лженаука!!! – должны воскликнуть лжеучёные-физики, ибо оказывается, что потенциальное поле таки может использоваться для совершения полезной работы! Осталось лишь ответить на вопрос: откуда берётся энергия на совершение полезной работы??? Если не из ничего, то из чего? Однако, пролистывая официально-лженаучные учебники, мы слышим в ответ лишь шелест бумаги и гробовую тишину, доносящуюся из них, как из гробницы, в которой похоронена истина…

Остаётся лишь пожелать удачи официальной лженауке в поиске ответа на этот поистине детский вопрос, ибо если эфира нет, а пространство – пустое, как утверждает концепция дальнодействия, безраздельно властвующая в официальной лжефизике, то, лженауке с этой задачей не справиться, ибо поле с точки зрения этой концепции – это ничто, а не особая форма материи, как это чёрным по белому написано в словарях и энциклопедиях. А как эту особую форму материи назвать – эфир, оргон, флогистон, квантовый бульон, физический вакуум или поле – дело десятое. Главное, чтобы в головах профессоров и студентов начало возрождаться понимание того факта, что поле – материально. Другими словами, поля – это вихревые и ламинарные потоки материи, а не математические абстракции, обозначаемые буковками B, H, E или D. Именно это очень важно понять.

Данное понимание утрачивалось на протяжении века – с приходом к власти Эйнштейна, его СТО и концепции пустого пространства. Впрочем, даже Эйнштейн осознал, какую глупость он совершил, поэтому 15 лет спустя, в 1920-м году, он написал в своей статье Эфир и теория относительности:

Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира; действительно, в таком пространстве не только было бы невозможно распространение света, но и не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле слова.

А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.689

Итак, Эйнштейну потребовалось 15 лет на то, чтобы осознать и признать своё заблуждение об отсутствии эфира в природе и ничтожности вакуума и пространства. Интересно, сколько должно пройти времени, прежде чем сегодняшние академики осознают и признают свои заблуждения?

Впрочем, Нобелевский лауреат Макс Планк как-то сказал, что новая научная истина торжествует не потому, что её противники признают своё заблуждение, а потому, что со временем они вымирают, а подрастающее поколение изучает эту новую истину с самого начала.

Именно это сейчас происходит. Круглякова и Гинзбурга уже нет. Скоро и других не останется.

Приглашение к обсуждению прочитанного

Из wikipedia.org

Тепловой насос, устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии к потребителю с более высокой температурой.


Алексей Михайлович Бонч-Бруевич (1916 — 2006), советский и российский физик, крупный специалист в области квантовой электроники и физической оптики.


Электрет, диэлектрик, длительное время сохраняющий поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, которое привело к поляризации этого диэлектрика, и создающий в окружающем пространстве квазипостоянное электрическое поле.


Специальная теория относительности, теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света.


Эдуард Павлович Кругляков (1934 — 2012), российский физик-экспериментатор, доктор физико-математических наук, академик РАН, сотрудник Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР.


Виталий Лазаревич Гинзбург (1916 — 2009), советский и российский физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор, академик РАН, до 1991 — АН СССР; чл.-корр. с 1953, лауреат Нобелевской премии по физике.


Как решать задачи по физике

Как утверждает Stanley J. Farlow в своей книге Partial Differential Equations for Scientists and Engineers, 99% задач по физике можно значительно упростить путем изменения системы координат для анализа. И не только задач из школьного или вузовского задачника. но и настоящих, жизненных, никем доселе не изученных. Иллюстрирует этот алгоритм этот рисунок…

(PDF) Расчет КПД двигателя с помощью уравнения общего цикла

Расчет КПД двигателя с помощью уравнения общего цикла

Эрнест Роджерс • 4 мая 2020 г.

Введение

В данном случае термодинамический цикл представляет собой последовательность изменений в условия газа; последний этап

возвращает газ в исходное состояние. Общий цикл будет описан в терминах обратимых изменений

идеального газа. Большинство тепловых двигателей можно проанализировать с помощью такого «идеального» цикла.Включены только основные шаги

— например, при представлении четырехтактного двигателя два хода для замены

газа будут проигнорированы.

Общий цикл получил это название, потому что он способен представлять наиболее часто используемые двигатели внутреннего сгорания

, такие как карбюраторные бензиновые двигатели, двигатели Аткинсона, дизели и даже газотурбинные двигатели

. Предполагая, что свойства газа — удельная теплоемкость и удельная теплоемкость — равны

константам, можно получить очень простую формулу для эффективности теплового двигателя.Эта простая формула

чрезвычайно точна при прогнозировании эффективности реальных двигателей, когда 1,35 используется для «постоянного»

значения удельной теплоемкости и разумно применен коэффициент потерь энергии. (Анализ приводит к

формула для обратимого цикла без потерь тепла или трения.)

Можно спросить, зачем нужна эта формула для эффективности? Ответ заключается в том, что это учебное пособие

, которое показывает нам, как разрабатывать более эффективные двигатели.

Описание цикла

Шаги цикла показаны на диаграмме P – V ниже. Цикл состоит из следующих этапов:

I. Начиная с точки 1, газ сжимается адиабатически (без передачи тепла) от V1 к V2. Степень сжатия

составляет RC = V1 / V2. Давление увеличивается от P1 до P2.

Работа сжатия от 1 до 2, W12, отрицательная.

II. При первом вводе тепла (топлива) Q1 давление повышается с P2 до P3 при постоянном объеме.Это P3 — максимальное давление

. Никакая работа не выполняется и V3 = V2.

III. Второй подвод тепла Q2 добавляется при постоянном давлении, когда поршень начинает двигаться наружу от

V3 к V4. (Топливо начало гореть в точке 2, а сжигание завершено в точке 4.) Общее количество подводимого тепла

равно QIN = Q1 + Q2. Работа с 3 по 4 — это W34.

IV. Газ расширяется адиабатически от точки 4 до точки 5. Рабочий ход заканчивается в точке 5. Степень расширения

RE = V5 / V2 превышает степень сжатия на коэффициент A = V5 / V1.A — коэффициент Аткинсона

. Работа на этом шаге с 4 по 5 — это W45.

В. Тепло отводится при постоянном объеме. Давление понижается с P5 до P1, начального давления.

VI. Газ сжимается, а тепло отводится при постоянном давлении. Объем уменьшается с V5

до V1, начального объема, и температура возвращается к исходной температуре T1. Работа

от 6 до 1, W61, отрицательная.

Цикл завершен.Общее тепло, отведенное на этапах V и VI, представляет собой отклоненное тепло, QOUT. Общее количество

работы, доступной из цикла, составляет W = W12 + W34 + W45 + W61. В идеальном цикле W = QIN — QOUT. В реальном двигателе

процесс немного отличается от этого идеального цикла — шаги не будут так четко определены.

Ожидается, что настоящий двигатель будет иметь клапаны; например: клапаны открываются в точке 5 для удаления выхлопных газов.

Входит свежий воздух, и поршень возвращается в 1, начальную точку.Затем клапаны закрываются и

начинается новый цикл. Открытие клапанов в части цикла может привести к потере работы, так как работа в атмосфере

.

Как рассчитать объемный КПД двигателя внутреннего сгорания — x-engineer.org

Для теплового двигателя процесс сгорания зависит от соотношения воздух-топливо внутри цилиндра. Чем больше воздуха мы можем попасть в камеру сгорания, тем больше топлива мы можем сжечь, тем выше выходной крутящий момент и мощность двигателя.

Поскольку воздух имеет массу, он инерционен. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка ограничивают поток воздуха в цилиндры. По объему мы измеряем способность двигателя заполнить доступный геометрический объем двигателя воздухом. Его можно рассматривать как соотношение между объемом воздуха, втягиваемого в цилиндр (реальным), и геометрическим объемом цилиндра (теоретическим).

Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время на дорожных транспортных средствах, имеют фиксированный объемный объем (рабочий объем), определяемый геометрией цилиндра и кривошипно-шатунного механизма.Строго говоря, общий объем двигателя V t [m 3 ] вычисляется функцией общего количества цилиндров n c [-] и объема одного цилиндра V cyl [m 3 ] .

\ [V_t = n_c \ cdot V_ {cyl} \ tag {1} \]

Общий объем цилиндра — это сумма смещенного (рабочего) объема V d [m 3 ] и зазор V c 3 ] .

\ [V_ {cyl} = V_d + V_c \ tag {2} \]

Объем зазора очень мал по сравнению с объемом вытеснения (например, соотношение 1:12), поэтому им можно пренебречь при расчете объемной эффективности двигатель.

Изображение: Основные геометрические параметры поршня и цилиндра двигателей внутреннего сгорания

где:

IV — впускной клапан
EV — выпускной клапан
ВМТ — верхняя мертвая точка
НМТ — нижняя мертвая точка
B — отверстие цилиндра
S — поршень ход
r — длина шатуна
a — радиус кривошипа (смещение)
x — расстояние между осью кривошипа и осью поршневого пальца
θ — угол поворота кривошипа
Vd — смещенный (стреловидный) объем
Vc — зазорный объем

объемный КПД η v [-] определяется как отношение между фактическим (измеренным) объемом всасываемого воздуха V a 3 ] , всасываемого в цилиндр / двигатель, и теоретическим объемом двигатель / цилиндр V d [m 3 ] во время впускного цикла двигателя.

\ [\ eta_v = \ frac {V_a} {V_d} \ tag {3} \]

Объемный КПД можно рассматривать также как КПД двигателя внутреннего сгорания по заполнению цилиндров всасываемым воздухом. Чем выше объемный КПД, тем больше объем всасываемого воздуха в двигатель.

В двигателях с непрямым впрыском топлива (в основном, бензиновых) всасываемый воздух смешивается с топливом. Поскольку количество топлива относительно невелико (соотношение 1: 14,7) по сравнению с количеством воздуха, мы можем пренебречь массой топлива для расчета объемного КПД.

Фактический объем всасываемого воздуха можно рассчитать как функцию массы воздуха м a [кг] и плотности воздуха ρ a [кг / м 3 ] :

\ [V_a = \ frac {m_a } {\ rho_a} \ tag {4} \]

Замена (4) в (3) дает объемный КПД, равный:

\ [\ eta_v = \ frac {m_a} {\ rho_a \ cdot V_d} \ tag {5 } \]

Обычно на динамометрическом стенде двигателя массовый расход всасываемого воздуха измеряется [кг / с] вместо массы воздуха [кг] . Следовательно, нам нужно использовать массовый расход воздуха для расчета объемного КПД.

\ [\ dot {m} _a = \ frac {m_a \ cdot N_e} {n_r} \ tag {6} \]

где:

N e [rot / s] — частота вращения двигателя
n r [-] — количество оборотов коленчатого вала для полного цикла двигателя (для 4-тактного двигателя n r = 2 )

Из уравнения (6) мы можем записать массу всасываемого воздуха как:

\ [m_a = \ frac {\ dot {m} _a \ cdot n_r} {N_e} \ tag {7} \]

Замена (7) в (5) дает объемный КПД, равный:

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta_v = \ frac {\ dot {m} _a \ cdot n_r} {\ rho_a \ cdot V_d \ cdot N_e}} \ tag {8} \]

Объемный КПД максимален 1.00 (или 100%). При этом значении двигатель способен всасывать весь теоретический объем воздуха, доступного в двигатель. Есть особые случаи, когда двигатель специально разработан для одной рабочей точки, для которой объемный КПД может быть немного выше 100%.

Если давление всасываемого воздуха p a [Па] и температура T a [K] измеряются во впускном коллекторе, плотность всасываемого воздуха может быть рассчитана как:

\ [\ rho_a = \ frac {p_a} {R_a \ cdot T_a} \ tag {9} \]

где:

ρ a [кг / м 3 ] — плотность всасываемого воздуха
p a [Па] — давление всасываемого воздуха
T a [K] — температура всасываемого воздуха
R a [Дж / кгK] — газовая постоянная для сухого воздуха (равная 286.{-3} \ cdot \ frac {1000} {60}} = 0.7091081 = 70.91 \ text {%} \]

Объем двигателя был преобразован с л на м 3 , а частота вращения — с об / мин. От до об / с .

Изображение: Функция объемного КПД давления всасываемого воздуха и частоты вращения двигателя

Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, таких как:

  • геометрия впускного коллектора
  • давление всасываемого воздуха
  • всасываемый воздух температура
  • массовый расход всасываемого воздуха (который зависит от частоты вращения двигателя)

Обычно двигатели рассчитаны на максимальный объемный КПД при средних / высоких оборотах двигателя и нагрузке.

Вы также можете проверить свои результаты, используя калькулятор ниже.

Калькулятор объемного КПД

Для любых вопросов или замечаний относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

КПД двигателя

КПД двигателя

Hannu Jääskeläinen

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания связано с рядом потерь. К ним относятся химические потери энергии в выбросах, потери тепла от двигателя и через выхлопные газы, а также потери при перекачивании газа и трение в двигателе. Соответственно, общий тепловой КПД тормоза двигателя является продуктом сгорания, термодинамики, газообмена и механического КПД.

Энергопотери двигателя

Сводка убытков

Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания связано с рядом потерь.Основные потери энергии в двигателе и соответствующие коэффициенты эффективности показаны на Рисунке 1 [3038] . Другие исследования факторов, влияющих на эффективность двигателя, с акцентом на низкотемпературное сгорание, можно найти в литературе [4886] .

Рисунок 1 . Обзор потерь энергии в типичном двигателе внутреннего сгорания

Начиная с сжигания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не полностью превращается в идеальные продукты сгорания CO 2 и H 2 O.Энергия, остающаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, учитывается коэффициентом сгорания .

Второй закон термодинамики определяет, что только часть энергии, выделяемой в процессе горения, может быть преобразована в полезную работу. Эта доля учитывается с помощью термодинамической эффективности , которая зависит от деталей цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Для двигателей внутреннего сгорания верхний предел термодинамической эффективности обычно определяется расчетами циклов Отто и Дизеля.Энергия сгорания, которая не преобразуется в механическую работу, теряется в виде тепла либо за счет выпуска горячих выхлопных газов в окружающую среду, либо за счет передачи тепла через поверхности камеры сгорания. Общая указанная эффективность равна произведению эффективности сгорания и термодинамической эффективности и отражает общую работу, произведенную при сгорании топлива.

Из энергии, которая была преобразована в работу, часть этой работы используется для подачи всасываемых газов в двигатель и удаления выхлопных газов.Эти потери при перекачке учитываются при КПД газообмена . Чистый показанный КПД регулирует общий показанный КПД с учетом работы, необходимой для перемещения газов в двигатель и из него.

Также необходимо выполнить некоторую работу для преодоления трения между поверхностями скольжения, такими как поршневые кольца и подшипники, и для приведения в действие необходимых вспомогательных устройств, таких как насосы для масла и охлаждающей жидкости. Последний относится к с механической эффективностью .Как это ни странно, потери газообмена и потери на трение иногда объединяются в одну потерю, которая используется для определения механического КПД. Это обсуждается ниже.

Оставшаяся работа, тормозная работа, таким образом, доступна от двигателя для выполнения полезной работы. Эффективность торможения (или термическая эффективность тормоза) может быть выражена как:

η тормоз = η горение · η термодинамический · η газообмен · η механический (1)

Другой способ выразить эффективность торможения — [3980] :

η тормоз = η замкнутый цикл · η открытый цикл · η механический (2)

где:
η замкнутый цикл — КПД замкнутого цикла, при этом замкнутый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной и выпускной клапаны закрыты.η закрытый цикл = η сгорание · η термодинамический
η открытый цикл — это КПД открытого цикла, открытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускные или выпускные клапаны открыты. η открытый цикл = η газообмен

Следует отметить, что это обсуждение эффективности двигателя проводится с точки зрения процесса, используемого для преобразования тепла в работу, т. Е. Оно ограничено определенным типом машины и отражает ограничения машины или термодинамического цикла, используемого для преобразования тепла. работать.Эффективность также можно рассматривать с точки зрения топлива и количества топливной эксергии, которую можно преобразовать в работу. Более поздний подход, обсуждаемый ниже, является более общим и не ограничивается каким-либо конкретным термодинамическим циклом.

Топливо Энергия

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо смешиваются с образованием горючей смеси, которая воспламеняется и выделяет энергию в виде тепла. Количество выделяемого тепла зависит от ряда факторов. Хотя количество топлива, захваченного в цилиндре, является основным определяющим фактором содержания энергии в захваченной воздушно-топливной смеси и, следовательно, общего количества тепла, которое может высвободиться, ряд второстепенных факторов также важны.Эти второстепенные факторы включают детали о составе топлива, такие как тип элементов, содержащихся в топливе, и характер связей, соединяющих элементы вместе.

Для двигателей чистая энергия, выделяемая при сгорании, обычно представлена ​​более низкой теплотворной способностью (LHV) топлива, поскольку предполагается, что вода, полученная при сгорании, остается в парообразном состоянии. На рисунке 2 показана LHV ряда видов топлива, которые могут быть использованы в двигателе внутреннего сгорания, в зависимости от их стехиометрического отношения воздух-топливо.Обратите внимание, что для углеводородного топлива LHV очень похожи и значительно выше, чем для топлива, содержащего кислород. Окисленные функциональные группы вносят меньший вклад в чистую энергию при сгорании, в то же время значительно увеличивая массу и объем топлива.

Рисунок 2 . Более низкая теплотворная способность (LHV) различных видов топлива по сравнению со стехиометрическим соотношением воздух-топливо

Данные из [391]

После того, как выбор топлива был определен, мощность двигателя определяется содержанием энергии воздушно-топливной смеси, удерживаемой в цилиндре перед сгоранием.Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива осуществляется до подачи всасываемого заряда в цилиндр, эта энергия связана с количеством смеси воздуха и топлива, которое может быть введено и захвачено в цилиндр. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива происходит в цилиндре после IVC, это зависит от количества воздуха, который может быть введен и захвачен в цилиндр. Можно показать, что [4730] :

Hport = ρmixLHVfλ · AFRstoich + 1H_port = {ρ_mix LHV_f} над {λ AFR_stoich +1} (3)

где:
H порт = содержание энергии на единицу объема цилиндра смеси, образовавшейся перед подачей в цилиндр, МДж / м 3
ρ смесь = плотность смеси, кг / м 3
LHV f = нижняя теплотворная способность топлива, МДж / кг
λ = относительная воздушно-топливная смесь
AFR stoich = стехиометрическая воздушно-топливная смесь

и

HDI = ρairLHVfλ · AFRstoichH_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stoich} (4)

где:
H DI = содержание энергии на единицу объема цилиндра смеси, образовавшейся в цилиндре после IVC, МДж / м 3
ρ воздуха = плотность воздуха, кг / м 3

Следует отметить, что для большинства жидких видов топлива разница между H порт и H DI невелика.Однако для газообразного топлива, такого как метан, основного компонента природного газа, разница может быть более значительной, рис. 3. Кроме того, в некоторых случаях, когда воздух и топливо смешиваются в цилиндре до IVC, порт H больше отражает энергию, которая может быть захвачена в цилиндре. Эффект повышения давления на впуске с помощью турбонагнетателя или нагнетателя в уравнении (3) и уравнении (4) учитывается с помощью члена плотности.

Рисунок 3 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси метана и воздуха в зависимости от λ

При 0 ° C, 101.325 кПа

На рисунке 4 показаны значения H , порт и H DI для стехиометрических смесей нескольких видов топлива при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и основанные на наиболее распространенных способах их смешивания с всасываемым воздухом [4730] . Несмотря на наличие важных различий, следует отметить, что выходная мощность двигателя, работающего на любом из этих видов топлива, основанная только на плотности энергии смеси, будет очень похожей. Однако следует отметить, что одной плотности энергии смеси недостаточно для определения максимальной мощности двигателя.

Рисунок 4 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси топлива и воздуха при λ = 1 в зависимости от стехиометрического отношения воздух-топливо

При 0 ° C, 101,325 кПа

###

Характеристики производительности, эффективности и выбросов поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на смесях водорода и природного газа (Технический отчет)

Чепмен, Кирби С. и Патил, Амар. Характеристики производительности, эффективности и выбросов поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на смесях водорода и природного газа .США: Н. П., 2007. Интернет. DOI: 10,2172 / 927586.

Чепмен, Кирби С. и Патил, Амар. Характеристики производительности, эффективности и выбросов поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на смесях водорода и природного газа . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/927586

Чепмен, Кирби С. и Патил, Амар.Сидел . «Характеристики производительности, эффективности и выбросов поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на смесях водорода и природного газа». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/927586. https://www.osti.gov/servlets/purl/927586.

@article {osti_927586,
title = {Характеристики, эффективность и выбросы поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на смесях водорода и природного газа},
author = {Чепмен, Кирби С. и Патил, Амар},
abstractNote = {Водород является привлекательным источником топлива не только потому, что его много и он возобновляем, но и потому, что он производит почти нулевые регулируемые выбросы.Двигатели внутреннего сгорания, работающие на сжатом природном газе (КПГ), используются в различных отраслях промышленности в различных мобильных и стационарных приложениях. Хотя двигатели, работающие на КПГ, обладают многими преимуществами по сравнению с обычными бензиновыми и дизельными двигателями внутреннего сгорания, характеристики двигателей на КПГ могут быть существенно улучшены в режиме бедной эксплуатации. Экономичная эксплуатация имеет ряд преимуществ, наиболее заметным из которых является сокращение выбросов. Однако чрезвычайно низкие скорости распространения пламени СПГ значительно ограничивают эксплуатационные ограничения двигателей на СПГ на обедненной смеси.Однако водород имеет высокую скорость пламени и широкий рабочий предел, который простирается в бедную область. Добавление водорода в двигатель КПГ делает его жизнеспособным и экономичным методом значительного увеличения рабочего предела обедненной смеси и, таким образом, повышения производительности и снижения выбросов. К недостаткам водорода в качестве источника топлива, однако, относятся более низкая удельная мощность из-за более низкой теплотворной способности на единицу объема по сравнению с КПГ, а также подверженность преждевременному воспламенению и детонации двигателя из-за широких пределов воспламеняемости и низкой минимальной энергии воспламенения.Однако сочетание водорода с КПГ преодолевает недостатки, присущие каждому типу топлива. Цели настоящего исследования заключались в оценке возможности использования смесей водорода и природного газа в качестве топлива для обычных двигателей, работающих на природном газе. Эксперимент и анализ данных включали оценку характеристик двигателя, эффективности и выбросов, а также подробные измерения основных физических параметров в цилиндрах. Это обеспечило подробную базу знаний о влиянии использования смесей водорода и природного газа.Четырехтактный атмосферный двигатель V-6 объемом 4,2 л, соединенный с вихретоковым динамометром, был использован для измерения влияния смеси водорода и природного газа на производительность, термодинамический КПД и выбросы выхлопных газов в поршневом четырехтактном двигателе. . Матрица испытаний варьировала нагрузку на двигатель и соотношение воздух-топливо при открытии дроссельной заслонки 50% и 100% при эквивалентных отношениях 1,00 и 0,90 для процентного содержания водорода 10%, 20% и 30% по объему. Кроме того, испытания проводились при 100% открытии дроссельной заслонки с коэффициентом эквивалентности 0.98 и смесь водорода 20% для дальнейшего исследования изменений выбросов CO. Анализ данных показал, что использование топливной смеси водород / природный газ ухудшает работу двигателя с уменьшением крутящего момента на 1,5-2,0%, но обеспечивает до 36% снижения CO, 30% снижения NOX и 5% увеличения. в термической эффективности тормозов. Эти результаты согласуются с предыдущими результатами, опубликованными в открытой литературе. Дальнейшее сокращение выбросов может быть достигнуто за счет уменьшения угла опережения зажигания.},
doi = {10.2172/927586},
url = {https://www.osti.gov/biblio/927586}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {2007},
месяц = ​​{6}
}

Тепловая эффективность — Energy Education

Рис. 1: Объем работы для данного количества тепла дает системе ее тепловой КПД. [1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая становится полезной работой. Тепловой КПД представлен символом [math] \ eta [/ math] и может быть рассчитан с помощью уравнения:

[математика] \ eta = \ frac {W} {Q_H} [/ математика]

Где:

[math] W [/ math] — полезная работа и

[математика] Q_H [/ математика] — это общий ввод тепловой энергии от горячего источника. [2]

Тепловые двигатели часто работают с КПД от 30% до 50% из-за практических ограничений.Тепловые двигатели не могут достичь 100% теплового КПД ([math] \ eta = 1 [/ math]) согласно Второму закону термодинамики. Это невозможно, потому что в тепловом двигателе всегда вырабатывается некоторое количество отработанного тепла, что показано на рисунке 1 термином [math] Q_L [/ math]. Хотя полная эффективность теплового двигателя невозможна, есть много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 джоулей тепловой энергии в качестве тепла ([math] Q_H [/ math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math] W [/ math]), то эффективность составляет 80J / 200J, что эффективность 40%.

Тот же результат может быть получен путем измерения отходящего тепла двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж, а отходящее тепло составляет 120 Дж, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основная статья

Физик Сади Карно определил максимально достижимую эффективность теплового двигателя. Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается

[математика] \ eta_ {max} = 1 — \ frac {T_L} {T_H} [/ math]

Где

[math] T_L [/ math] — температура холодной «раковины» и

[math] T_H [/ math] — это температура теплового резервуара.

Это описывает эффективность идеализированного двигателя, которая в действительности недостижима. [3] Из этого уравнения, чем ниже температура стока [math] T_L [/ math] или чем выше температура источника [math] T_H [/ math], тем больше работы доступно от теплового двигателя. Энергия для работы исходит от уменьшения общей энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для выполнения работы. [4]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

  1. ↑ Это изображение было сделано командой Energy Education.
  2. ↑ Механика двигателя TPUB. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
  3. ↑ Hyperphysics, Cycle Carnot [Online], Доступно: http: //hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
  4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, глава 4, раздел E, стр 115

6.2: Двигатели и тепловой КПД

Простой двигатель

Циклические процессы обеспечивают возможность иметь воспроизводимые процессы, которые преобразуют тепловую энергию, поступающую в газ, в рабочую энергию, которая покидает газ. Мы знаем, что для теплообмена должна быть разница температур, и правильно спроектированное устройство может работать в цикле, чтобы использовать разницу температур для передачи полезной механической энергии.Такое устройство называется тепловой машиной . Конечно, для этого требуется циклический процесс, который выполняется по часовой стрелке на диаграмме \ (PV \). Теперь мы рассмотрим простейшую версию движка — ту, которая формирует прямоугольник на своей диаграмме \ (PV \). Нашим акцентом будет визуализация каждого отрезка цикла как физического процесса, включающего поршень, который обменивается теплом с тепловым резервуаром и / или работает с его окружением.

Рисунок 6.2.1 — Простой двигатель

Мы начнем с того, что мы уже знаем о циклах — поскольку термодинамическое состояние возвращается туда, где оно было начато, внутренняя энергия не изменяется в течение цикла, что означает, что выходящая рабочая энергия (равна площадь, ограниченная петлей) равна тепловой энергии, которая поступает внутрь.

\ [\ Delta U = 0 \; \; \; \ Rightarrow \; \; \; Q_ {in} = W_ {out} = \ left (P_2-P_1 \ right) \ left (V_2-V_1 \ right) \]

Теперь мы вычислим тепло, передаваемое на всех четырех отдельных участках циклического процесса, чтобы подтвердить этот результат. По мере того, как мы это делаем, мы будем включать диаграмму того, что происходит физически.

Рисунок 6.2.2a — Процесс A – B

Это квазистатический изобарический процесс, при котором тепло передается газу медленно (из теплового резервуара, который на каждом этапе процесса едва теплее, чем газ двигателя).Температура газа в процессе повышается, а объем увеличивается, а тепло поступает в систему. Количество передаваемого тепла:

\ [Q_ {AB} = nC_P \ Delta T_ {AB} = nC_P \ left (\ dfrac {P_2 \ Delta V_ {AB}} {nR} \ right) = \ left (\ dfrac {C_P} {R} P_2 \ вправо) \ влево (V_2-V_1 \ вправо) \]

Рисунок 6.2.2b — Процесс B – C

На этот раз у нас есть изохорный процесс, и поскольку давление падает, это должно быть связано с падением температуры.Это может произойти только при неизменном объеме, когда тепло покидает систему, и поскольку процесс является квазистатическим, температура теплового резервуара немного ниже, чем температура газа на протяжении всего процесса. Потери тепла на этом этапе:

\ [Q_ {BC} = nC_V \ Delta T_ {BC} = nC_V \ left (\ dfrac {\ Delta P_ {BC} V_2} {nR} \ right) = \ left (\ dfrac {C_V} {R} V_2 \ вправо) \ влево (P_1-P_2 \ вправо) \]

Рисунок 6.2.2c — Процесс C – D

Эта третья ветвь снова представляет собой изобарический процесс, на этот раз с падением температуры и объема.Опять же, этот квазистатический процесс требует, чтобы температура резервуара оставалась немного ниже температуры газа. Потери тепла:

\ [Q_ {CD} = nC_P \ Delta T_ {CD} = nC_P \ left (\ dfrac {P_2 \ Delta V_ {CD}} {nR} \ right) = \ left (\ dfrac {C_P} {R} P_1 \ вправо) \ влево (V_1-V_2 \ вправо) \]

Рисунок 6.2.2d — Процесс D – A

Последний отрезок снова изохорный, и давление увеличивается вместе с температурой за счет тепла, добавляемого из теплового резервуара, который немного теплее газа.Передаваемое тепло:

\ [Q_ {DA} = nC_V \ Delta T_ {DA} = nC_V \ left (\ dfrac {\ Delta P_ {DA} V_1} {nR} \ right) = \ left (\ dfrac {C_V} {R} V_1 \ вправо) \ влево (P_2-P_1 \ вправо) \]

Это оставлено читателю в качестве упражнения по алгебре, чтобы продемонстрировать, что сумма этих четырех теплопередач равна общей теплопередаче, как указано в уравнении 6.2.1. При выполнении этого упражнения будет полезно помнить, что \ (C_P = C_V + R \).

Реальные двигатели

В ходе приведенных выше вычислений читателю могло прийти в голову, что постоянно возникает одно неудобное требование — тепловой резервуар всегда должен иметь бесконечно малую величину, отличающуюся по температуре от газа в двигателе.Как именно совершить такой подвиг? Резервуар немного теплее, температура газа повышается до тех пор, пока они не достигнут теплового равновесия, затем резервуар снова становится немного теплее, так что он снова может отдавать небольшое количество тепла газу, и так далее? Очевидно, что этот процесс нельзя разумно спроектировать, и даже если бы это было возможно, тот факт, что скорость теплового потока связана с разницей температур, означает, что он будет мучительно медленным.

В реальном мире у нас обычно есть два тепловых резервуара с фиксированными температурами , с которыми мы можем работать — один с высокой температурой, от которой двигатель получает тепло, и один с низкой температурой, где двигатель отводит тепло.Обратите внимание, что в простом двигателе, описанном выше, газ должен как получать, так и отводить тепло, даже если он получал чистое количество тепла, которое он преобразовывал в работу. Оказывается, это обязательная особенность всех двигателей (по причинам, которые мы рассмотрим позже) — двигатель не может просто забирать тепло из одного горячего теплового резервуара и преобразовывать его в работу в цикле без отвода тепла в другой. , более холодный термальный резервуар. Схема этого общего принципа двигателей показана ниже.

Рисунок 6.2.3 — Реальная схема теплового двигателя

На схеме показаны многие элементы двигателя. Во-первых, процесс должен быть циклическим, что означает, что общее изменение внутренней энергии равно нулю, а общее количество тепла, которое поступает (тепло, поступающее из более теплого резервуара, минус тепло, поступающее в более холодный резервуар), равно общей работе, которая гаснет (технически есть также входящая работа, но эта схема включает только работу net , при этом «входящее» тепло разделено на «выходное» по причинам, которые скоро станут ясны).Мы включили теплообменники с двумя резервуарами с точки зрения их абсолютных значений, так что нам не нужно беспокоиться о знаках тепла на входе / выходе. Очевидно, что произведенная работа представляет собой разницу между полной тепловой энергией, поступающей из горячего резервуара, за вычетом общей тепловой энергии, которая уходит в холодный тепловой резервуар.

Тепловой КПД

Это правда, что в реальном мире, когда мы берем тепло из одного резервуара и передаем его другому, более холодному, мы делаем два резервуара немного ближе по температуре.В идеале мы хотели бы избежать «растраты» любой исходящей тепловой энергии, которая ничего не делает, кроме повышения температуры более холодного резервуара, и вместо этого просто преобразовывать всю тепловую энергию, поступающую из горячего резервуара, непосредственно в работу. Достижение этой цели означало бы создание «совершенно эффективного двигателя», и мы бы сказали, что он имеет 100% тепловой КПД . Таким образом, определение процентного КПД любого двигателя довольно очевидно — просто возьмите отношение извлеченной работы к подаваемому теплу:

\ [e = \ dfrac {W_ {net}} {Q_H} = \ dfrac {\ left | Q_H \ right | — \ left | Q_C \ right |} {\ left | Q_H \ right |} = 1 — \ dfrac {\ left | Q_C \ right |} {\ left | Q_H \ right |} \]

Следует отметить, что «извлеченная работа» — это чистая работа — работа, которая выходит в течение полного цикла за вычетом работы, которая вложена (т.е. это область внутри замкнутого контура на диаграмме PV по часовой стрелке). Также обратите внимание, что для этого двигателя температура не просто немного выше температуры газа в двигателе, и фактически сила, обусловленная давлением газа, также не немного больше внешней силы во время выполнения работы. Так что ни один из этих процессов не является квазистатическим. Но, как мы видели, это не помешает нам эффективно использовать квазистатические модели процессов.

Позже мы увидим, что двигатели максимально эффективны, когда процессы, которым они следуют, обратимы, но, конечно, для некоторых процессов требуется, чтобы задействованный тепловой резервуар изменял свою температуру, чтобы оставаться бесконечно большим или меньшим, чем температура двигателя.Это противоречит всему понятию «тепловой резервуар», поэтому ясно, что реальный КПД двигателя будет хуже, чем у реверсивных двигателей, которые мы можем использовать для их моделирования. Тем не менее, мы можем использовать отношение общей работы к общему количеству тепла для обратимой модели, чтобы вычислить максимальную возможную эффективность для моделируемого двигателя.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

В циклическом процессе для двигателя, показанного ниже, процесс от A до B увеличивает давление в три раза, процесс от B до C является адиабатическим, а рабочий газ в двигателе является одноатомным.{\ frac {3} {5}} V_o \ right) \ right] = -0.933P_oV_o \ end {array} \ right \} \; \; \; \ Rightarrow \; \; \; W_ {net} = W_1 + W_2 = 0,667P_oV_o \ nonumber \]

Тепло выходит из системы во время изобарического процесса, и во время адиабатического процесса тепло не передается, поэтому все тепло, поступающее в двигатель, поступает во время изохорного процесса, и это легко вычислить для одноатомного идеального газа:

\ [Q_ {in} = \ frac {3} {2} \ Delta P V = 3P_oV_o \ nonumber \]

Эффективность определяется соотношением полезной работы к теплу:

\ [e = \ dfrac {W_ {net}} {Q_ {in}} = \ dfrac {0.667P_oV_o} {3P_oV_o} = 22,2 \% \ nonumber \]

Цикл Отто

Наш самый узнаваемый тип двигателя — это двигатель внутреннего сгорания, и наиболее распространенный циклический процесс, который они описывают, называется циклом Отто .

Предупреждение

В дальнейшем слово «газ» относится к газу внутри поршня, который в основном является воздухом. Говоря о бензине (наиболее распространенном топливе для сжигания), мы будем ссылаться на него в такой длинной форме — мы не будем использовать сокращенную версию слова «газ.»

Мы начнем с построения диаграммы \ (PV \), которая приближает процесс, а затем объясним каждую часть цикла.

Рисунок 6.2.4 — Цикл Отто

процесс A-B (адиабатическое сжатие)

Пар бензина (или другого горючего) попадает в камеру и смешивается с воздухом при прохладной (окружающей) температуре, после чего над смесью производятся работы по ее сжатию.Это происходит очень быстро, так что газ не успевает обмениваться теплом с окружающей средой, и это побуждает нас рассматривать этот процесс как адиабатический.

процесс B-C (изохорный нагрев)

Бензин воспламеняется, что приводит к быстрому изменению температуры газа внутри поршня. Технически тепло исходит не извне двигателя, а скорее в результате экзотермического химического процесса, но это то же самое. Это возгорание происходит очень внезапно, прежде чем газ успевает расширить поршень, поэтому мы рассматриваем этот процесс как изохорный.

процесс C-D (адиабатическое расширение)

Нагретый газ теперь находится под очень высоким давлением, и это давление расширяет поршень, выполняя работу. Опять же, скорость этого процесса настолько велика, что очень мало тепла успевает покинуть поршень, когда это происходит, поэтому мы рассматриваем этот процесс как адиабатический.

процесс D-A (изохорное охлаждение)

После полного расширения охлажденный, но все еще более горячий, чем окружающий, газ удаляется из двигателя, и в камеру поступает новая партия воздуха и паров бензина.Технически газ не «изохорически охлаждается», но это равносильно тому же, поскольку камера вскоре заполняется новым газом с более низкой температурой и тем же объемом.

Этот пример показывает, как мы можем использовать то, что мы узнали о термодинамических процессах, для анализа ситуаций реального мира, даже если наше понимание основано на идеальных ситуациях, которых не существует в реальном мире. Мы просто смотрим на особенности реального процесса и максимально приближаем его к квазистатическому процессу.Во время этого процесса «согласования» мы заботимся о том, чтобы конечные точки совпадали правильно (потому что это состояния равновесия), и чтобы тепло / работа, передаваемая во время процесса, имела смысл. В приведенном выше примере это заключалось в том, чтобы спросить, происходит ли процесс быстро (нет времени для выхода тепла) или объем не изменился (работа не выполняется). Скоро мы снова увидим другую форму этого соответствия.

Давайте посмотрим на эффективность этого цикла. Имейте в виду, что наша идеализированная версия будет более эффективной, чем то, что мы можем достичь в реальном мире, но это дает нам верхний предел того, на что мы можем надеяться.Чтобы добиться эффективности, нам нужно тепло, подаваемое горячим резервуаром, и тепло, отбираемое холодным резервуаром. В этом цикле теплообмен происходит только во время процессов B-C и D-A, которые оба являются изохорными, поэтому теплообмены пропорциональны изменениям температуры. Таким образом, эффективность определяется по формуле:

.

\ [e = 1 — \ dfrac {\ left | Q_C \ right |} {\ left | Q_H \ right |} = 1 — \ dfrac {nC_V \ left (T_D — T_A \ right)} {nC_V \ left (T_C — T_B \ right)} = 1 — \ dfrac {\ left (T_D — T_A \ right)} {\ left (T_C — T_B \ right)} \]

Из этого результата должно быть ясно, что двигатель работает более эффективно, когда разница температур между двумя тепловыми резервуарами больше.В данном случае это разница между температурой нагнетаемого и горящего газа. Из диаграммы должно быть ясно, что эту разницу можно измерить с точки зрения разницы (или, точнее, отношения) двух объемов, которые занимает газ. С практической точки зрения, газ не может быть сжат до столь малого объема, как хотелось бы, до его воспламенения, потому что повышение температуры из-за сжатия может само по себе спонтанно воспламенить газ. Топливо с более высоким октановым числом обеспечивает большее сжатие без этого нежелательного самовоспламенения, повышая эффективность.

Как мы можем заключить из вышеизложенного, эффективность этого двигателя можно переписать в терминах переменной, которую мы можем измерить легче, чем температуры, а именно свойства самого двигателя. Два из четырех процессов являются изохорическими, что означает, что объем изменяется только дважды за весь цикл, а это значит, что нам нужно беспокоиться только о двух объемах — максимальном и минимальном. Максимум происходит при полном расширении поршня, а минимум — при полном сжатии.{1- \ gamma} \]

Дизельный цикл

С небольшим изменением цикла Отто можно несколько повысить эффективность. Это изменение заключается в управлении процессом воспламенения, чтобы он происходил при постоянном давлении, а не при постоянном объеме. В этой конструкции двигателя используется так называемый дизельный цикл . Это, конечно, означает, что воспламенение должно происходить менее «взрывоопасно», что снижает скорость, с которой может происходить цикл, и мы знаем из Физики 9A, что скорость, с которой выполняется работа, является мощностью цикла, поэтому, хотя это цикл получается более эффективным, дает меньше мощности.

Чтобы определить разницу в эффективности, нужно только изменить знаменатель уравнения 6.2.7, которое учитывает процесс зажигания (с B на C). Вместо того, чтобы происходить при постоянном объеме, это происходит при постоянном давлении, которое просто меняет \ (C_V \) на \ (C_P \), давая:

\ [e = 1- \ dfrac {C_V \ left (T_D-T_A \ right)} {C_P \ left (T_C-T_B \ right)} = 1- \ dfrac {1} {\ gamma} \; \ dfrac { T_D-T_A} {T_C-T_B} \]

Член, вычитаемый из КПД, уменьшается на коэффициент гаммы, что приводит к повышению КПД.Кроме того, возможны более высокие степени сжатия, поскольку воздух сжимается без топлива (топливо добавляется постепенно с помощью топливных форсунок во время процесса зажигания, поддерживая постоянное давление), что устраняет проблему воспламенения топлива во время сжатия. Конечно, хотя много лет назад этот процесс применялся исключительно в дизельных двигателях, в настоящее время впрыск топлива и сопутствующие ему более высокие степени сжатия являются стандартом для автомобилей, работающих на бензине.

Цикл Карно

Мы смогли искусно описать циклы Отто и дизель в терминах 4 квазистатических процессов, рассматривая воспламенение газа как добавляемое тепло, а не в результате химической реакции, и рассматривая замену газа как тепло исключен.Без этих уловок поддержание квазистатичности этих процессов сделало бы их очень медленными и не могло бы происходить между резервуарами с двумя фиксированными температурами, как показано на рисунке 6.2.3, потому что для процесса, включающего теплопередачу и изменение температуры (что имеет место для квазистатического протекания как изохорного, так и изобарного процессов) резервуар должен изменять температуру, чтобы оставаться лишь незначительно отличной от температуры газа. Мы не можем получить что-то даром, и на самом деле процессы воспламенения и замещения газа необратимы, делая эти процессы лишь приблизительно такими квазистатическими циклами, как мы их объявили.

Из этого анализа мы видим, что проблема с включением изохорных и изобарных процессов в случай «реального мира» двигателя, ограниченного функционированием между двумя резервуарами с фиксированными температурами, заключается в том, что мы не можем сделать эти процессы обратимыми. Но даже при этом ограничении фиксированной температуры для резервуаров есть два процесса, которые мы можем (в принципе) выполнять квазистатически. Адиабатический процесс вообще не предполагает теплопередачи, поэтому относительная температура двигателя и резервуара не имеет значения.В результате изотермического процесса температура двигателя остается неизменной, поэтому, если она сравняется с температурой резервуара, проблем не возникает.

При обсуждении уравнения 5.8.20 мы отметили, что в любой заданной точке на фотоэлектрической диаграмме газа адиабата, которая проходит через эту точку, круче, чем изотерма, которая также проходит через нее. Из-за этого мы можем создать циклический процесс, который использует два изотермических процесса (один вверху, один внизу PV-диаграммы) и два адиабатических процесса (по одному с каждой стороны PV-диаграммы), и этот цикл может быть приводится в действие двумя резервуарами с фиксированной температурой.Это известно как цикл Карно .

Рисунок 6.2.5 — Цикл Карно

Мы можем вычислить КПД этого двигателя, как мы это делали с циклами Отто и дизельным двигателем. Отметив, что во время двух адиабатических процессов тепло не передается, и используя уравнение 5.8.16 для тепла, передаваемого во время двух изотермических процессов, мы имеем:

\ [\ left. \ begin {array} {l} \ left | Q_H \ right | = W_ {out} = nRT_H \ ln \ left [\ dfrac {V_B} {V_A} \ right] \\ \ left | Q_C \ right | = -W_ {in} = -nRT_C \ ln \ left [\ dfrac {V_D} {V_C} \ right] = nRT_C \ ln \ left [\ dfrac {V_C} {V_D} \ right] \\ e = 1 — \ dfrac {\ left | Q_C \ right |} {\ left | Q_H \ right |} \ end {array} \ right \} \; \; \; \ Rightarrow \; \; \; e = 1- \ dfrac {T_C} {T_H} \ dfrac {\ ln \ left [\ dfrac {V_C} {V_D} \ right]} {\ ln \ left [\ dfrac {V_B} {V_A} \ right]} \]

Однако здесь мы можем сделать больше.{\ gamma-1} \ end {array} \ right \} \; \; \; \ Rightarrow \; \; \; \ dfrac {V_B} {V_A} = \ dfrac {V_C} {V_D} \]

При их подключении выше логарифмы в числителе и знаменателе отменяются, что делает эффективность цикла Карно простой функцией температур двух резервуаров:

\ [e = 1- \ dfrac {T_C} {T_H} \]

Чем больше разница температур между двумя резервуарами, тем выше КПД двигателя Карно.

Холодильники

Одна вещь, которую мы постоянно наблюдаем в нашем обсуждении двигателей, — это то, что циклы на диаграмме PV идут по часовой стрелке.Это гарантирует, что после работы полного цикла выходит из системы, так как тепло уходит в . Что произойдет, если мы запустим цикл в обратном порядке? Затем начинается работа и выходит тепло. Это основа холодильника . Естественно, это не означает, что мы можем взять двигатель внутреннего сгорания, включить его «в обратном направлении», и он превратится в кондиционер. Во-первых, мы не можем «разжечь» газ. Но мы можем осуществить процессы в обратном направлении другими способами.Во-первых, давайте посмотрим на схему холодильника, как мы это сделали для теплового двигателя:

Рисунок 6.2.6 — Реальная схема холодильника

Эффективность холодильника не определяется так же, как у двигателя, поскольку здесь цель состоит в том, чтобы отвести как можно больше тепла из холодного резервуара, затрачивая при этом как можно меньше усилий. Поэтому мы определяем коэффициент полезного действия как отношение отведенного тепла к требуемой работе:

\ [K = \ dfrac {\ left | Q_C \ right |} {W} = \ dfrac {\ left | Q_C \ right |} {\ left | Q_H \ right | — \ left | Q_C \ right |} \]

Чрезвычайно упрощенный способ представить себе, как работает холодильник: мы знаем, что если мы очень резко сжимаем газ, он становится намного горячее (см. Пример в самом конце раздела 5.8). Неудивительно, что верно и обратное: если газ внезапно расширит поршень, это приведет к значительному охлаждению газа. Предположим, мы хотим сделать холодильник внутри холоднее, чем снаружи (да, это определение холодильника!). Начните с газа в поршне вне холодильника, сожмите его до небольшого объема и подождите, пока он не достигнет температуры наружного воздуха. Затем резко отпустите поршень и быстро отнесите его в холодильник. Если мы сжимаем его в достаточной степени, изменение температуры газа в поршне приведет к тому, что его температура будет ниже температуры внутри холодильника.Мы немного подождем, пока внутренняя часть холодильника отдает тепло холодному воздуху в поршне, тем самым охлаждая воздух внутри холодильника. Когда они достигают равновесия, мы выносим поршень наружу и повторяем процесс. Это переносит тепловую энергию из холодильника.

Работа, выполняемая с газом во время сжатия, превышает работу, выполняемую газом во время расширения (т.е. необходимо добавить чистую работу). Процессы сжатия и расширения являются адиабатическими, в то время как «ожидающие» процессы изохоричны, что дает диаграмму PV, которая выглядит примерно так:

Рисунок 6.2.7 — Фотоэлектрическая схема простого холодильника

Очевидно, мы пожертвовали большим количеством реальности ради этого простого для понимания «холодильника». Очевидно, что нам не нужно транспортировать поршень в охлаждаемую камеру и из нее, и вместо этого мы можем направлять газ в нее и из нее, сжимая его на выходе и расширяя при входе. Но с этим дизайном все еще есть довольно большая проблема. Чтобы тепло передавалось в нужном направлении в нужное время, нам нужно, чтобы температура газа после его охлаждения от расширения была ниже температуры окружающей среды в холодильнике.На диаграмме PV температуры внутри и снаружи холодильников более или менее соответствуют температурам состояний B и D соответственно. Это означает, что если мы проведем изотермы через точки B и D , то промежуток между этими изотермами представляет собой максимальный температурный разрыв, который мы можем поддерживать между горячими и холодными областями. Очевидно, это функция разницы давлений, которую мы можем создать между сжатым газом и расширенным газом, но с практической точки зрения это существенное препятствие.

Способ преодоления этого ограничения заключается в переносе большей части тепловой энергии в фазе хладагента. Мы знаем, что мы можем изменять фазы, сочетая сжатие / расширение и нагрев / охлаждение жидкости, и скрытая теплота парообразования значительна по сравнению с удельной теплоемкостью при небольшом изменении температуры. Это приводит к следующему основному процессу:

  • компрессор преобразует фазу хладагента в жидкость, которая нагревает его до температуры выше наружной температуры
  • жидкость затем поступает в змеевик конденсатора , цель которого — увеличить площадь контакта с наружным воздухом, ускоряя процесс отвода тепла
  • к тому времени, когда жидкость проходит через змеевик конденсатора, она находится под высоким давлением, но приходит в тепловое равновесие с наружным воздухом, а затем проходит в расширительный клапан , где она адиабатически расширяется, изменяя фазу обратно к газу и значительному падению температуры, ниже температуры внутреннего воздуха
  • газ затем проходит через змеевик испарителя , который увеличивает скорость, с которой тепло может поступать в хладагент из внутреннего воздуха, и в конце змеевика испарителя он повторно входит в компрессор, чтобы снова запустить цикл.

КПД двигателя

Причина 63% смога, выбросы диоксида азота в Онтарио вызваны автомобилями, грузовые автомобили и другие виды транспорта. Такие программы, как Правительство Онтарио «Drive Green» — попытка для устранения серьезности проблемы, вызванной автомобилем загрязнение, убедившись, что наши автомобили работают должным образом и максимально эффективно.

Дизайнеров в настоящее время работает над перепроектированием энергии внутреннего сгорания. Там буквально миллиарды вариаций параметров, которые влияют на работу двигателя. Проблема, с которой сталкиваются дизайнеры: что улучшения в области контроля выбросов часто отрицательно влияют на топливную экономичность. Хитрость в том, чтобы найти баланс между многочисленными конструктивными параметрами.

Эффективность автомобильный двигатель можно определить, исследуя ввод и выходная энергия. Входная энергия будет количеством химическая потенциальная энергия, которая будет храниться в молекулы, обнаруженные в бензине. Когда эта энергия высвобождается при сгорании происходят многочисленные преобразования энергии. Много энергии теряется в виде тепловой и звуковой энергии.Охлаждение система в автомобиле имеет решающее значение для удаления этой тепловой энергии из двигатель. Менее четверти энергии выделяется из бензин фактически превращается в кинетическую энергию. В большая часть энергии просто теряется во время трансформации, происходящие в двигателе автомобиля.

КПД в процентах рассчитывается путем сравнения выходной энергии, кинетическая энергия в случае автомобиля, с входящей энергией, энергия, содержащаяся в молекулах бензина.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *