Hvad er nyttekoefficienten? Varme motor

Encyklopædisk YouTube

• 1 / 5

  Matematisk kan definitionen af ​​effektivitet skrives som:

  η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)

  Hvor EN- nyttigt arbejde (energi), og Q- brugt energi.

  Hvis effektiviteten udtrykkes i procent, beregnes den ved formlen:

  η = A Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\ gange 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),

  Hvor Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- varme taget fra den kolde ende (i kølemaskiner, kølekapacitet); A (\displaystyle A)

  Udtrykket der bruges om varmepumper er transformationsforhold

  ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),

  Hvor Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- kondensationsvarme overføres til kølevæsken; A (\displaystyle A)- det arbejde (eller elektricitet) brugt på denne proces.

  I den perfekte bil Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), herfra til den ideelle bil ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

  Den omvendte Carnot-cyklus har de bedste ydelsesindikatorer for kølemaskiner: den har en ydelseskoefficient

  ε = T X T Γ − T X (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\Gamma )-T_(\mathrm (X)))), fordi, ud over den energi, der tages i betragtning EN(fx elektrisk), i varme Q Der tages også energi fra den kolde kilde.

  Effektivitet er per definition forholdet mellem modtaget energi og brugt energi. Hvis en motor brænder benzin, og kun en tredjedel af den resulterende varme omdannes til køretøjets fremdriftsenergi, er virkningsgraden en tredjedel eller (afrundet til nærmeste hele) 33%. Hvis en pære producerer lysenergi halvtreds gange mindre end den elektriske energi, der forbruges, er dens effektivitet 1/50 eller 2%. Spørgsmålet opstår dog straks: hvad hvis pæren sælges som en infrarød varmeovn? Efter at salget af glødelamper blev forbudt, begyndte enheder med nøjagtig samme design at blive solgt som " infrarøde varmeapparater", da over 95% af elektriciteten omdannes til varme.

  (U)nyttig varme

  Typisk bliver den varme, der genereres under driften af ​​noget, registreret som tab. Men det er langt fra sikkert. Et kraftværk omdanner for eksempel omkring en tredjedel af den varme, der frigives ved forbrænding af gas eller kul, til elektricitet, men en anden del af energien kan bruges til at opvarme vand. Hvis varmtvandsforsyning og varme batterier også er inkluderet i de nyttige resultater af kraftvarmedriften, vil effektiviteten stige med 10-15%.

  Et lignende eksempel er en bil-"komfur": den overfører en del af den varme, der genereres under motordrift, ind i interiøret. Denne varme kan være nyttig og nødvendig, eller den kan betragtes som tab: af denne grund optræder den normalt ikke i beregninger af effektiviteten af ​​en bilmotor.

  Fra hinanden står enheder som f.eks varmepumper. Deres effektivitet, hvis vi beregner det ved forholdet mellem tilført varme og forbrugt elektricitet, er mere end 100%, men dette modbeviser ikke det grundlæggende i termodynamikken. En varmepumpe pumper varme fra et mindre opvarmet legeme til et mere opvarmet og bruger energi på dette, da en sådan omfordeling af varme uden energiforbrug er forbudt af den samme termodynamik. Hvis en varmepumpe tager en kilowatt fra udtaget og producerer fem kilowatt varme, så vil der blive taget fire kilowatt fra luften, vandet eller jorden uden for boligen. Miljø på det sted, hvor enheden trækker varme, vil den køle ned, og huset vil varme op. Men så vil denne varme, sammen med den energi, pumpen bruger, stadig forsvinde i rummet.

  Eksternt kredsløb af varmepumpen: gennem disse plastik rør der pumpes en væske, der tager varme fra vandsøjlen ind i den opvarmede bygning. Mark Johnson/Wikimedia

  Meget eller effektivt?

  Nogle enheder har meget høj effektivitet, men på samme tid - upassende strøm.

  Elektriske motorer er mere effektive, jo større de er, men at sætte en elektrisk lokomotivmotor ind i et børnelegetøj er fysisk umuligt og økonomisk meningsløst. Derfor overstiger effektiviteten af ​​motorer i et lokomotiv 95%, og i en lille radiostyret bil - højst 80%. Desuden afhænger dens effektivitet i tilfælde af en elektrisk motor også af belastningen: en underbelastet eller overbelastet motor fungerer med mindre effektivitet. Korrekt valg udstyr kan betyde mere end blot at vælge en enhed med den maksimale deklarerede effektivitet.

  

  Det kraftigste produktionslokomotiv, det svenske IORE. Andenpladsen besiddes af det sovjetiske elektriske lokomotiv VL-85. Kabelleger/Wikimedia

  Hvis elmotorer produceres til en række forskellige formål, fra vibratorer i telefoner til elektriske lokomotiver, så har ionmotoren en meget mindre niche. Ionmotorer er effektive, økonomiske, holdbare (de fungerer uden at lukke ned i årevis), men de tænder kun i et vakuum og giver meget lidt tryk. De er ideelle til at sende til dybe rum videnskabelige køretøjer, der kan flyve til et mål i flere år, og hvor det er vigtigere at spare brændstof end at bruge tid.

  Elektriske motorer bruger i øvrigt næsten halvdelen af ​​al den elektricitet, der genereres af menneskeheden, så selv en forskel på en hundrededel af en procent på globalt plan kan betyde behovet for at bygge endnu en. atomreaktor eller en anden kraftenhed i et termisk kraftværk.

  Effektiv eller billig?

  Energieffektivitet er ikke altid identisk med økonomisk effektivitet. Et godt eksempel- LED-lamper, som indtil for nylig var ringere end glødelamper og fluorescerende "energibesparende" lamper. Kompleksiteten ved fremstilling af hvide LED'er, de høje omkostninger ved råmaterialer og på den anden side enkelheden af ​​en glødelampe tvang valget af mindre effektive, men billigere lyskilder.

  Forresten, for opfindelsen af ​​den blå LED, uden hvilken det ville have været umuligt at lave en lys hvid lampe, modtog japanske forskere i 2014 Nobel pris. Dette er ikke den første pris, der gives for bidrag til udvikling af belysning: I 1912 blev prisen givet til Nils Dahlen, opfinderen, der forbedrede acetylenfakler til fyrtårne.

  

  Blå lysdioder er nødvendige for at producere hvidt lys i kombination med rødt og grønt. Disse to farver blev lært at blive produceret i tilstrækkeligt lyse LED'er meget tidligere; blå i lang tid forblev for kedeligt og dyrt til massebrug

  Et andet eksempel på effektive, men meget dyre enheder er solceller baseret på galliumarsenid (en halvleder med formlen GaAs). Deres effektivitet når op på næsten 30 %, hvilket er halvanden til to gange højere end de batterier, der bruges på Jorden baseret på det meget mere almindelige silicium. Høj effektivitet betaler sig kun i rummet, hvor levering af et kilo last kan koste næsten lige så meget som et kilo guld. Så vil besparelsen på batterivægten være berettiget.

  Effektiviteten af ​​elledninger kan øges ved at erstatte kobber med bedre ledende sølv, men sølvkabler er for dyre og bruges derfor kun i enkeltstående tilfælde. Men til ideen om at bygge superledende elledninger af sjældne jordarter, der er dyre og kræver afkøling med flydende nitrogen i de sidste år anvendes flere gange i praksis. Især et sådant kabel er allerede lagt og tilsluttet i den tyske by Essen. Den er designet til 40 megawatt elektrisk strøm ved en spænding på ti kilovolt. Ud over det faktum, at varmetabet reduceres til nul (men til gengæld er det nødvendigt at drive kryogene installationer), er et sådant kabel meget mere kompakt end normalt, og på grund af dette kan du spare på køb af dyr jord i bymidte eller nægte at lægge yderligere tunneler.

  Ikke efter almindelige regler

  Fra skoleforløb mange husker, at effektiviteten ikke kan overstige 100%, og at jo højere den er, jo højere den er mere forskel temperaturer mellem køleskab og varmelegeme. Dette gælder dog kun for de såkaldte varmemotorer: dampmaskine, motor intern forbrænding, reaktiv og raketmotorer, gas- og dampturbiner.

  Elektriske motorer og alle elektriske enheder overholder ikke denne regel, da de ikke er varmemotorer. For dem er det eneste sande, at effektiviteten ikke kan overstige hundrede procent, og særlige begrænsninger i hvert enkelt tilfælde bestemmes forskelligt.

  I tilfælde af et solbatteri bestemmes tab både af kvanteeffekter under absorptionen af ​​fotoner og af tab som følge af refleksion af lys fra batteriets overflade og absorption i fokusspejlene. Beregningerne viste, at at gå ud over 90 % solcellebatteri kan i princippet ikke, men i praksis er værdier på omkring 60-70% opnåelige, og endda dem med en meget kompleks struktur af fotoceller.

  Brændselsceller har fremragende effektivitet. Disse enheder modtager visse stoffer, der indgår kemisk reaktion med hinanden og give elektricitet. Denne proces er igen ikke en cyklus af en varmemotor, så effektiviteten er ret høj, omkring 60 %, mens diesel eller Gas motor normalt ikke gå ud over 50%.

  Det var brændstofelementerne, der blev brugt på dem, der fløj til Månen rumskibe Apollo, og de kan køre på for eksempel brint og ilt. Deres eneste ulempe er, at brinten skal være ret ren, og desuden skal den opbevares et sted og på en eller anden måde overføres fra fabrikken til forbrugerne. Teknologier, der gør det muligt at erstatte almindelig metan med brint, er endnu ikke taget i brug i massevis. Kun forsøgsbiler og få ubåde kører på brint og brændselsceller.

  

  Plasmamotorer i SPD-serien. De er lavet af OKB Fakel, og de bruges til at holde satellitter i en given bane. Drivkraften skabes på grund af strømmen af ​​ioner, der opstår efter ionisering af en inert gas ved en elektrisk udladning. Effektiviteten af ​​disse motorer når 60 procent

  Ionisk og plasma motorer findes allerede, men de virker også kun i et vakuum. Derudover er deres trækkraft for lav og er størrelsesordener lavere end vægten af ​​selve enheden - de ville ikke lette fra Jorden selv i fravær af en atmosfære. Men under interplanetariske flyvninger, der varer mange måneder og endda år, kompenseres svag fremdrift af effektivitet og pålidelighed.

  Koefficient nyttig handling(effektivitet) er et udtryk, der måske kan anvendes på ethvert system og enhver enhed. Selv en person har en effektivitetsfaktor, selvom der sandsynligvis ikke er nogen objektiv formel for at finde den endnu. I denne artikel vil vi forklare i detaljer, hvad effektivitet er, og hvordan den kan beregnes for forskellige systemer.

  Definition af effektivitet

  Effektivitet er en indikator, der karakteriserer effektiviteten af ​​et system i form af energioutput eller konvertering. Effektivitet er en umålelig størrelse og er repræsenteret enten numerisk værdi i området fra 0 til 1, eller som en procentdel.

  Generel formel

  Effektiviteten er angivet med symbolet Ƞ.

  Den generelle matematiske formel for at finde effektivitet er skrevet som følger:

  Ƞ=A/Q, hvor A er den nyttige energi/det arbejde, som systemet udfører, og Q er den energi, der forbruges af dette system for at organisere processen med at opnå nyttigt output.

  Effektivitetsfaktoren er desværre altid mindre end eller lig med enhed, da vi ifølge loven om energibevarelse ikke kan opnå mere arbejde end den brugte energi. Derudover er effektiviteten faktisk ekstremt sjældent lig med enhed, da nyttigt arbejde altid ledsages af tilstedeværelsen af ​​tab, for eksempel til opvarmning af mekanismen.

  Varmemotoreffektivitet

  En varmemotor er en enhed, der konverterer termisk energi til mekanisk. I en varmemotor bestemmes arbejdet af forskellen mellem mængden af ​​varme modtaget fra varmeren og mængden af ​​varme, der gives til køleren, og derfor bestemmes effektiviteten af ​​formlen:

  • Ƞ=Qн-Qх/Qн, hvor Qн er mængden af ​​varme modtaget fra varmeren, og Qх er mængden af ​​varme, der gives til køleren.

  Det antages, at den højeste effektivitet leveres af motorer, der kører på Carnot-cyklussen. I dette tilfælde bestemmes effektiviteten af ​​formlen:

  • Ƞ=T1-T2/T1, hvor T1 er den varme kildes temperatur, T2 er den kolde kildes temperatur.

  Elektrisk motor effektivitet

  En elektrisk motor er en enhed, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi, så effektiviteten i dette tilfælde er enhedens effektivitetsforhold med hensyn til konvertering elektrisk energi til mekanisk. Formel til at finde effektivitet elektrisk motor ser sådan ud:

  • Ƞ=P2/P1, hvor P1 forsynes med elektrisk strøm, er P2 nyttig mekanisk kraft, genereret af motoren.

  Elektrisk effekt findes som produktet af systemstrøm og spænding (P=UI) og mekanisk effekt som forholdet mellem arbejde pr. tidsenhed (P=A/t)

  Transformer effektivitet

  En transformer er en enhed, der konverterer vekselstrøm af en spænding til vekselstrøm af en anden spænding, mens frekvensen opretholdes. Derudover kan transformere også konvertere vekselstrøm til jævnstrøm.

  Transformatorens effektivitet findes ved formlen:

  • Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), hvor P0 er tomgangstabet, PL er belastningstabet, P2 er den aktive effekt, der leveres til belastningen, n er den relative grad af belastning.

  Effektivitet eller ej effektivitet?

  Det er værd at bemærke, at ud over effektivitet er der en række indikatorer, der karakteriserer effektiviteten af ​​energiprocesser, og nogle gange kan vi støde på beskrivelser som - effektivitet i størrelsesordenen 130%, men i dette tilfælde skal vi forstå, at udtrykket er ikke brugt helt korrekt, og højst sandsynligt forstår forfatteren eller producenten denne forkortelse som en lidt anden egenskab.

  Fx udmærker varmepumper sig ved, at de kan afgive mere varme, end de forbruger. En kølemaskine kan således fjerne mere varme fra den genstand, der køles, end der blev brugt i energiækvivalent for at organisere fjernelsen. Effektivitetsindikatoren for en kølemaskine kaldes kølekoefficienten, angivet med bogstavet Ɛ og bestemt af formlen: Ɛ=Qx/A, hvor Qx er varmen, der fjernes fra den kolde ende, A er det arbejde, der er brugt på fjernelsesprocessen . Men nogle gange kaldes kølekoefficienten også kølemaskinens effektivitet.

  Det er også interessant, at effektiviteten af ​​kedler, der arbejder på organisk brændstof, beregnes normalt ud fra den lavere brændværdi, men den kan være større end enheden. Det kaldes dog stadig traditionelt effektivitet. Det er muligt at bestemme effektiviteten af ​​en kedel ved den højere brændværdi, og så vil den altid være mindre end én, men i dette tilfælde vil det være ubelejligt at sammenligne kedlers ydeevne med data fra andre installationer.

  Effektivitet (Effektivitet) - karakteristisk for effektiviteten af ​​et system (enhed, maskine) i forhold til omdannelse eller transmission af energi. Det bestemmes af forholdet mellem nyttigt brugt energi og den samlede mængde energi modtaget af systemet; normalt betegnet η ("dette"). η = Wpol/Wcym. Effektivitet er en dimensionsløs størrelse og måles ofte som en procentdel. Matematisk kan definitionen af ​​effektivitet skrives som:

  X 100 %,

  Hvor EN- nyttigt arbejde, og Q- brugt energi.

  På grund af loven om energibevarelse er effektiviteten altid mindre end eller lig med enhed, det vil sige, at det er umuligt at opnå mere nyttigt arbejde end den brugte energi.

  Varmemotoreffektivitet- attitude af det perfekte nyttigt arbejde motor, til den energi, der modtages fra varmelegemet. Effektivitet varmemotor kan beregnes ved hjælp af følgende formel

  ,

  hvor er mængden af ​​varme modtaget fra varmeapparatet, er mængden af ​​varme, der gives til køleskabet. Højeste effektivitet blandt cykliske maskiner, der arbejder ved givne varmekildetemperaturer T 1 og kold T 2, har varmemotorer, der kører på Carnot-cyklussen; denne marginale effektivitet er lig med

  .

  Ikke alle indikatorer, der karakteriserer effektiviteten af ​​energiprocesser, svarer til ovenstående beskrivelse. Selvom de traditionelt eller fejlagtigt kaldes "effektivitet", kan de have andre egenskaber, især over 100 %.

  Kedel effektivitet

  Hovedartikel: Kedel varmebalance

  Effektiviteten af ​​kedler til fossilt brændstof beregnes traditionelt ud fra den lavere brændværdi; det antages, at fugten fra forbrændingsprodukterne forlader kedlen i form af overophedet damp. I kondenserende kedler denne fugt kondenserer, kondensationsvarmen bruges med fordel. Når man beregner effektivitet ud fra den lavere brændværdi, kan den ende med at blive større end én. I dette tilfælde ville det være mere korrekt at beregne det ved den højere brændværdi, som tager hensyn til varmen fra dampkondensation; imidlertid er ydelsen af ​​en sådan kedel svær at sammenligne med data på andre installationer.

  Varmepumper og kølere

  Fordelen ved varmepumper som varmeudstyr er evnen til nogle gange at modtage mere varme end den energi, der forbruges til deres drift; på samme måde kan en kølemaskine fjerne mere varme fra den afkølede ende, end der bruges på at organisere processen.

  Effektiviteten af ​​sådanne varmemotorer er kendetegnet ved ydeevnekoefficient(til kølemaskiner) el transformationsforhold(til varmepumper)

  ,

  hvor tages varmen fra den kolde ende (i kølemaskiner) eller overføres til den varme ende (i varmepumper); - det arbejde (eller elektricitet) brugt på denne proces. Den omvendte Carnot-cyklus har de bedste ydelsesindikatorer for sådanne maskiner: den har en ydelseskoefficient

  ,

  hvor , er temperaturerne i de varme og kolde ender, . Denne værdi kan naturligvis være vilkårligt stor; Selvom det er svært at nærme sig praktisk, kan ydeevnekoefficienten stadig overstige enhed. Dette er ikke i modstrid med termodynamikkens første lov, da der ud over energien tages i betragtning EN(fx elektrisk), til opvarmning Q Der tages også energi fra den kolde kilde.

  Litteratur

  • Peryshkin A.V. Fysik. 8. klasse. - Bustard, 2005. - 191 s. - 50.000 eksemplarer.

  - ISBN 5-7107-9459-7.

  
  

  Noter

  Wikimedia Foundation.:

  2010.

  Synonymer Se, hvad "Effektivitetsfaktor" er i andre ordbøger: effektivitet

  - Forholdet mellem tilført strøm og forbrugt aktiv effekt. [OST 45.55 99] effektivitetsfaktor Effektivitet En værdi, der karakteriserer perfektion af processerne til transformation, transformation eller overførsel af energi, som er forholdet mellem nyttig ... ...

  Teknisk oversættervejledning Eller returkoefficient (Effektivitet) er en karakteristik af driftskvaliteten af ​​enhver maskine eller apparat med hensyn til dens effektivitet. Med effektivitet menes forholdet mellem mængden af ​​arbejde modtaget fra en maskine eller energi fra apparatet og mængden ... ... Marine Dictionary

  - (effektivitet), en indikator for effektiviteten af ​​en mekanisme, defineret som forholdet mellem det arbejde, mekanismen udfører, og det arbejde, der er brugt på dens drift. Effektivitet normalt udtrykt i procent. En ideel mekanisme ville have effektivitet =... ...

  Videnskabelig og teknisk encyklopædisk ordbog Moderne encyklopædi - (effektivitet) karakteristisk for effektiviteten af ​​et system (enhed, maskine) i forhold til energiomdannelse; er bestemt af forholdet mellem nyttigt brugt energi (omdannet til arbejde under en cyklisk proces) og den samlede mængde energi,... ...

  Stor encyklopædisk ordbog

  - (effektivitet) forhold mellem nyttigt brugt energi W p, for eksempel. i form af arbejde, til den samlede mængde energi W modtaget af systemet (maskine eller motor), W p/W. På grund af uundgåelige energitab på grund af friktion og andre ikke-ligevægtsprocesser for rigtige systemer... ... encyklopædisk ordbog

  Forholdet mellem forbrugt nyttigt arbejde eller modtaget energi og alt forbrugt arbejde eller henholdsvis energiforbrug. For eksempel er effektiviteten af ​​en elektrisk motor forholdet mellem mekanisk. den strøm, den afgiver til den elektricitet, der leveres til den. strøm; TIL.… … Teknisk jernbaneordbog

  Navneord, antal synonymer: 8 effektivitet (4) tilbagevenden (27) frugtbarhed (10) ... Synonym ordbog

  Effektivitet- er en størrelse, der karakteriserer perfektionen af ​​ethvert system i forhold til enhver transformations- eller energioverførselsproces, der finder sted i det, defineret som forholdet mellem nyttigt arbejde og det arbejde, der bruges på aktivering... ... Encyklopædi over begreber, definitioner og forklaringer af byggematerialer

  Effektivitet- (effektivitet), en numerisk karakteristik af energieffektiviteten af ​​enhver enhed eller maskine (inklusive en varmemotor). Effektiviteten bestemmes af forholdet mellem nyttigt brugt energi (dvs. omdannet til arbejde) og den samlede mængde energi... ... Illustreret encyklopædisk ordbog

  Arbejdet udført af motoren er:

  Denne proces blev først overvejet af den franske ingeniør og videnskabsmand N. L. S. Carnot i 1824 i bogen "Reflections on Drivkraft ild og om maskiner, der er i stand til at udvikle denne kraft."

  Målet med Carnots forskning var at finde ud af årsagerne til den tids ufuldkommenhed af varmemotorer (de havde en effektivitet på ≤ 5%) og at finde måder at forbedre dem på.

  Carnot-cyklussen er den mest effektive af alle. Dens effektivitet er maksimal.

  

  Figuren viser de termodynamiske processer i cyklussen. Under isotermisk ekspansion (1-2) ved temperatur T 1 , arbejde udføres på grund af ændring indre energi varmelegeme, altså på grund af tilførsel af varme til gassen Q:

  EN 12 = Q 1 ,

  Gaskøling før kompression (3-4) sker under adiabatisk ekspansion (2-3). Ændring i indre energi ΔU 23 under en adiabatisk proces ( Q = 0) er fuldstændig omdannet til mekanisk arbejde:

  EN 23 = -AU 23 ,

  Gastemperaturen som følge af adiabatisk ekspansion (2-3) falder til køleskabets temperatur T 2 < T 1 . I proces (3-4) bliver gassen isotermisk komprimeret, hvilket overfører mængden af ​​varme til køleskabet Q 2:

  A 34 = Q 2,

  Cyklussen afsluttes med processen med adiabatisk kompression (4-1), hvor gassen opvarmes til en temperatur T 1.

  Den maksimale virkningsgrad for varmemotorer, der kører ved ideel gas, ifølge Carnot-cyklussen:

  .

  Essensen af ​​formlen er udtrykt i den beviste MED. Carnots sætning om, at effektiviteten af ​​en hvilken som helst varmemotor ikke kan overstige effektiviteten af ​​en Carnot-cyklus, der udføres ved samme temperatur på varmeapparatet og køleskabet.