Unde este mai multă eficiență. motor termic

Fiecare sistem sau dispozitiv are un anumit coeficient acțiune utilă(eficienţă). Acest indicator caracterizează eficiența muncii lor privind returnarea sau transformarea oricărui tip de energie. Prin valoarea sa, randamentul este o valoare fara masura, reprezentata ca o valoare numerica cuprinsa intre 0 si 1, sau ca procent. Această caracteristică se aplică pe deplin tuturor tipurilor de motoare electrice.

Caracteristici de eficiență la motoarele electrice

Motoarele electrice aparțin categoriei de dispozitive care transformă energia electrică în energie mecanică. Factorul de eficiență pentru aceste dispozitive determină eficacitatea lor în îndeplinirea funcției principale.

Cum să găsiți eficiența motorului? Formula pentru eficiența unui motor electric arată astfel: ƞ \u003d P2 / P1.În această formulă, P1 este puterea electrică furnizată și P2 este puterea mecanică utilizabilă generată de motor. Valoarea puterii electrice (P) este determinată de formula P \u003d UI și mecanică - P \u003d A / t, ca raport dintre lucru și o unitate de timp.

Factorul de eficiență trebuie luat în considerare atunci când alegeți un motor electric. Mare importanță au pierderi de eficiență asociate cu curenții reactivi, reducerea puterii, încălzirea motorului și alți factori negativi.

Transformarea energiei electrice în energie mecanică este însoțită de o pierdere treptată a puterii. Pierderea eficienței este asociată cel mai adesea cu degajarea de căldură atunci când motorul se încălzește în timpul funcționării. Cauzele pierderilor pot fi magnetice, electrice și mecanice, apărute sub acțiunea frecării. Prin urmare, de exemplu, situația este cea mai potrivită atunci când electricitatea a fost consumată pentru 1000 de ruble și munca utilă a fost produsă numai pentru 700-800 de ruble. Astfel, randamentul in acest caz va fi de 70-80%, iar intreaga diferenta este transformata in energie termica, care incalzeste motorul.

Pentru a răci motoarele electrice, ventilatoarele sunt folosite pentru a conduce aerul prin goluri speciale. În conformitate cu standardele stabilite, motoarele de clasa A se pot încălzi până la 85-90 0 C, clasa B - până la 110 0 C. Dacă temperatura motorului depășește standardele stabilite, aceasta indică un posibil iminent.

În funcție de sarcină, randamentul motorului electric își poate modifica valoarea:

• Pentru ralanti - 0;
• La 25% sarcină - 0,83;
• La 50% sarcină - 0,87;
• La 75% sarcină - 0,88;
• La sarcina maximă de 100%, eficiența este de 0,87.

Unul dintre motivele scăderii randamentului motorului electric poate fi asimetria curenților, când pe fiecare dintre cele trei faze apare o tensiune diferită. De exemplu, dacă există 410 V în faza 1, 402 V în a 2-a și 288 V în a 3-a, atunci tensiunea medie va fi (410 + 402 + 388) / 3 = 400 V. Asimetria tensiunii va avea o valoare: 410 - 388 volți = 22 volți. Astfel, pierderea de eficiență din acest motiv va fi de 22/400 x 100 = 5%.

Scăderea eficienței și pierderile totale la motorul electric

Există mulți factori negativi care influențează valoarea pierderilor totale la motoarele electrice. Exista tehnici speciale permițându-le să fie determinate în prealabil. De exemplu, puteți determina prezența unui gol prin care puterea este parțial furnizată de la rețea la stator și apoi la rotor.

Pierderile de putere care apar în demarorul însuși constau din mai mulți termeni. În primul rând, acestea sunt pierderile asociate și remagnetizarea parțială a miezului statorului. Elementele din oțel au un efect redus și practic nu sunt luate în considerare. Acest lucru se datorează vitezei de rotație a statorului, care depășește semnificativ viteza fluxului magnetic. În acest caz, rotorul trebuie să se rotească în strictă conformitate cu caracteristicile tehnice declarate.

Sens putere mecanică arborele rotorului este mai mic decât puterea electromagnetică. Diferența este cantitatea de pierderi care apar în înfășurare. Pierderile mecanice includ frecarea în rulmenți și perii, precum și efectul unei bariere de aer asupra pieselor rotative.

Motoarele electrice asincrone se caracterizează prin prezența unor pierderi suplimentare datorate prezenței dinților în stator și rotor. În plus, fluxurile vortex pot apărea în componentele individuale ale motorului. Toți acești factori împreună reduc eficiența cu aproximativ 0,5% din puterea nominală a unității.

La calcularea eventualelor pierderi se folosește și formula eficienței motorului, care permite calcularea scăderii acestui parametru. În primul rând, se iau în considerare pierderile totale de putere, care sunt direct legate de sarcina motorului. Pe măsură ce sarcina crește, pierderile cresc proporțional și eficiența scade.

În proiectarea motoarelor electrice asincrone, toate pierderile posibile sunt luate în considerare în prezența sarcinilor maxime. Prin urmare, gama de eficiență a acestor dispozitive este destul de largă și variază de la 80 la 90%. La motoarele de mare putere, această cifră poate ajunge până la 90-96%.

Se știe că mașină cu mișcare perpetuă imposibil. Acest lucru se datorează faptului că pentru orice mecanism afirmația este adevărată: munca completă realizată cu ajutorul acestui mecanism (inclusiv încălzirea mecanismului și mediu inconjurator, pentru a depăși forța de frecare) este întotdeauna o muncă mai utilă.

De exemplu, mai mult de jumătate din munca efectuată de un motor cu ardere internă este irosită cu încălzire. părțile constitutive motor; o parte de căldură este transportată de gazele de evacuare.

Este adesea necesar să se evalueze eficacitatea mecanismului, fezabilitatea utilizării acestuia. Prin urmare, pentru a calcula ce parte din munca depusă este irosită și ce parte este utilă, un special cantitate fizica, care arată eficiența mecanismului.

Această valoare se numește eficiența mecanismului

Eficiența unui mecanism este egală cu raportul dintre munca utilă și munca totală. Evident, eficiența este întotdeauna mai mică decât unitatea. Această valoare este adesea exprimată ca procent. De obicei, este notat cu litera greacă η (a se citi „aceasta”). Eficiența este abreviată ca eficiență.

η \u003d (A_full / A_useful) * 100%,

unde η eficiență, A_lucru complet complet, A_muncă utilă.

Dintre motoare, cea mai mare eficiență are Motor electric(până la 98%). Eficiența motoarelor combustie interna 20% - 40%, turbină cu abur aproximativ 30%.

Rețineți că pentru creşterea eficienţei mecanismuluiîncearcă adesea să reducă forța de frecare. Acest lucru se poate face folosind diverși lubrifianți sau rulmenți cu bile în care frecarea de alunecare este înlocuită cu frecarea de rulare.

Exemple de calcul al eficienței

Luați în considerare un exemplu. Un biciclist cu o masă de 55 kg merge pe o bicicletă cu o masă de 5 kg pe un deal de 10 m înălțime, efectuând 8 kJ de muncă. Găsiți eficiența bicicletei. Frecarea de rulare a roților pe șosea nu este luată în considerare.

Soluţie. Aflați masa totală a bicicletei și a biciclistului:

m = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Să aflăm greutatea lor totală:

P = mg = 60 kg * 10 N/kg = 600 N

Găsiți munca efectuată la ridicarea bicicletei și a biciclistului:

Util \u003d PS \u003d 600 N * 10 m \u003d 6 kJ

Să aflăm eficiența bicicletei:

A_plin / A_util * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Răspuns: Eficiența bicicletei este de 75%.

Să luăm în considerare încă un exemplu. Un corp de masă m este suspendat de capătul brațului de pârghie. O forță în jos F este aplicată celuilalt braț, iar capătul său este coborât cu h. Aflați cât de mult s-a ridicat corpul dacă eficiența pârghiei este η%.

Soluţie. Aflați munca efectuată de forța F:

η % din acest lucru se face pentru a ridica un corp de masă m. Prin urmare, Fhη / 100 a fost cheltuit pentru ridicarea corpului. Deoarece greutatea corpului este egală cu mg, corpul s-a ridicat la o înălțime de Fhη / 100 / mg.

În realitate, munca efectuată cu ajutorul oricărui dispozitiv este întotdeauna o muncă mai utilă, deoarece o parte din lucru este efectuată împotriva forțelor de frecare care acționează în interiorul mecanismului și la mutarea părților sale individuale. Deci, folosind un bloc mobil, efectuează lucrări suplimentare, ridicând blocul în sine și frânghia și, depășind forțele de frecare din bloc.

Să introducem următoarea notație: muncă utilă notează $A_p$, lucrarea completă este $A_(poln)$. Făcând acest lucru, avem:

Definiție

Coeficient de performanță (COP) numit raportul dintre munca utilă și plină. Notăm eficiența cu litera $\eta $, atunci:

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\ \left(2\right).\]

Cel mai adesea, eficiența este exprimată ca procent, apoi definiția sa este formula:

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\ \left(2\right).\]

Atunci când creează mecanisme, încearcă să-și mărească eficiența, dar mecanismele cu o eficiență egală cu unul (și chiar mai mult decât unul) nu există.

Și astfel, coeficientul de eficiență este o mărime fizică care arată ponderea pe care o are munca utilă din toată munca depusă. Cu ajutorul eficienței se evaluează eficiența unui dispozitiv (mecanism, sistem) care transformă sau transmite energie care efectuează muncă.

Pentru a crește eficiența mecanismelor, puteți încerca să reduceți frecarea în axele lor, masa lor. Dacă frecarea poate fi neglijată, masa mecanismului este semnificativ mai mică decât masa, de exemplu, a sarcinii pe care mecanismul o ridică, atunci eficiența este puțin mai mică decât unitatea. Atunci munca efectuată este aproximativ egală cu munca utilă:

Regula de aur a mecanicii

Trebuie amintit că un câștig în muncă nu poate fi obținut folosind un mecanism simplu.

Să exprimăm fiecare dintre lucrările din formula (3) ca produs al forței corespunzătoare de calea parcursă sub influența acestei forțe, apoi transformăm formula (3) în forma:

Expresia (4) arată că, folosind un mecanism simplu, câștigăm în forță cât pierdem pe drum. Această lege este numită „regula de aur” a mecanicii. Această regulă a fost formulată în Grecia antică Erou al Alexandriei.

Această regulă nu ține cont de munca de depășire a forțelor de frecare, de aceea este aproximativă.

Eficiență în transmiterea puterii

Factorul de eficiență poate fi definit ca raportul dintre munca utilă și energia cheltuită pentru implementarea sa ($Q$):

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\cdot 100\%\ \left(5\right).\]

Pentru a calcula eficiența unui motor termic, se utilizează următoarea formulă:

\[\eta =\frac(Q_n-Q_(ch))(Q_n)\left(6\right),\]

unde $Q_n$ este cantitatea de căldură primită de la încălzitor; $Q_(ch)$ - cantitatea de căldură transferată la frigider.

Eficiența unui motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot este:

\[\eta =\frac(T_n-T_(ch))(T_n)\left(7\right),\]

unde $T_n$ - temperatura încălzitorului; $T_(ch)$ - temperatura frigiderului.

Exemple de sarcini pentru eficiență

Exemplul 1

Exercițiu. Motorul macaralei are o putere de $N$. Pentru un interval de timp egal cu $\Delta t$, el a ridicat o sarcină de masă $m$ la o înălțime $h$. Care este eficiența macaralei?\textit()

Soluţie. Munca utilă în problema luată în considerare este egală cu munca de ridicare a corpului la o înălțime $h$ a unei sarcini de masă $m$, aceasta este munca de depășire a forței gravitaționale. Este egal cu:

Munca totală efectuată la ridicarea unei sarcini poate fi găsită folosind definiția puterii:

Să folosim definiția factorului de eficiență pentru a-l găsi:

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\left(1.3\right).\]

Transformăm formula (1.3) folosind expresiile (1.1) și (1.2):

\[\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%.\]

Răspuns.$\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%$

Exemplul 2

Exercițiu. Un gaz ideal efectuează un ciclu Carnot, în timp ce eficiența ciclului este egală cu $\eta $. Care este lucrul într-un ciclu de compresie a gazului la temperatură constantă? Lucrul efectuat de gaz în timpul expansiunii este $A_0$

Soluţie. Eficiența ciclului este definită astfel:

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\left(2.1\right).\]

Luați în considerare ciclul Carnot, determinați în ce procese este furnizată căldura (va fi $Q$).

Deoarece ciclul Carnot este format din două izoterme și două adiabate, putem spune imediat că nu există transfer de căldură în procesele adiabatice (procesele 2-3 și 4-1). În procesul izoterm 1-2 se furnizează căldură (Fig.1 $Q_1$), în procesul izoterm 3-4 căldura este îndepărtată ($Q_2$). Rezultă că în expresia (2.1) $Q=Q_1$. Știm că cantitatea de căldură (prima lege a termodinamicii) furnizată sistemului în timpul unui proces izoterm merge complet pentru a efectua munca de către gaz, ceea ce înseamnă:

Gazul efectuează o muncă utilă, care este egală cu:

Cantitatea de căldură care este îndepărtată în procesul izoterm 3-4 este egală cu munca de compresie (lucrarea este negativă) (deoarece T=const, apoi $Q_2=-A_(34)$). Ca urmare, avem:

Transformăm formula (2.1) ținând cont de rezultatele (2.2) - (2.4):

\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\to A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\to A_(34)=(\eta -1)A_(12)\left(2.4\right).\]

Deoarece prin condiția $A_(12)=A_0,\ $în final obținem:

Răspuns.$A_(34)=\left(\eta -1\right)A_0$

Factorul de eficiență (COP) este o măsură a eficienței unui sistem în termeni de conversie sau transfer de energie, care este determinată de raportul dintre energia utilizată util și energia totală primită de sistem.

eficienţă- valoarea este adimensională, de obicei este exprimată în procente:

Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termic este determinat de formula: , unde A = Q1Q2. Eficiența unui motor termic este întotdeauna mai mică de 1.

Ciclul Carnot- Acesta este un proces de gaz circular reversibil, care constă din două procese izoterme și două procese adiabatice consecutive efectuate cu un fluid de lucru.

Ciclul circular, care include două izoterme și două adiabate, corespunde eficienței maxime.

Inginerul francez Sadi Carnot a derivat în 1824 formula eficienta maxima un motor termic ideal, în care fluidul de lucru este un gaz ideal, al cărui ciclu a constat din două izoterme și două adiabate, adică ciclul Carnot. Ciclul Carnot este ciclul de lucru real al unui motor termic care efectuează lucru datorită căldurii furnizate fluidului de lucru într-un proces izoterm.

Formula pentru eficiența ciclului Carnot, adică eficiența maximă a unui motor termic, este: , unde T1 - temperatura absolutăîncălzitor, T2 - temperatura absolută a frigiderului.

Motoare termice- Sunt structuri în care energia termică este transformată în energie mecanică.

Motoarele termice sunt diverse atât ca design, cât și ca scop. Acestea includ motoarele cu abur, turbinele cu abur, motoarele cu ardere internă, motoarele cu reacție.

Cu toate acestea, în ciuda diversității, în principiu, funcționarea diferitelor motoare termice este aspecte comune. Componentele principale ale fiecărui motor termic:

• încălzitor;
• corp de lucru;
• frigider.

Încălzitorul eliberează energie termică, în timp ce încălzește fluidul de lucru, care este situat în camera de lucru a motorului. Fluidul de lucru poate fi abur sau gaz.

După ce a acceptat cantitatea de căldură, gazul se dilată, deoarece. presiunea sa este mai mare decât presiunea exterioară și mișcă pistonul, producând un lucru pozitiv. În același timp, presiunea acestuia scade, iar volumul crește.

Dacă comprimăm gazul, trecând prin aceleași stări, dar în sens opus, atunci vom proceda la fel. valoare absolută, dar munca negativă. Ca rezultat, toată munca pentru ciclu va fi egală cu zero.

Pentru ca munca unui motor termic să fie diferită de zero, munca de comprimare a gazului trebuie să fie mai puțină muncă extensii.

Pentru ca munca de compresie să devină mai mică decât cea de expansiune, este necesar ca procesul de comprimare să aibă loc la o temperatură mai scăzută, pentru aceasta fluidul de lucru trebuie să fie răcit, prin urmare, un frigider este inclus în proiectarea motorului termic. Fluidul de lucru degajă cantitatea de căldură către frigider atunci când este în contact cu acesta.

Probabil, toată lumea s-a întrebat de eficiența (Coeficientul de eficiență) a unui motor cu ardere internă. La urma urmei, cu cât acest indicator este mai mare, cu atât unitatea de alimentare funcționează mai eficient. Cel mai eficient pentru acest moment timpul este luat în considerare tip electric, eficiența sa poate ajunge până la 90 - 95%, dar pentru motoarele cu ardere internă, fie că este vorba despre motorină sau benzină, pentru a spune ușor, este departe de a fi ideală...

Ca să fiu sincer, atunci opțiuni moderne motoarele sunt mult mai eficiente decât omologii lor, care au fost lansate acum 10 ani, și există o mulțime de motive pentru acest lucru. Gândiți-vă singur înainte de opțiunea de 1,6 litri, a dat doar 60 - 70 CP. Și acum această valoare poate ajunge la 130 - 150 CP. Aceasta este o muncă minuțioasă pentru creșterea eficienței, în care fiecare „pas” este dat prin încercare și eroare. Cu toate acestea, să începem cu o definiție.

- aceasta este valoarea raportului a două cantități, puterea care este furnizată arborelui cotit al motorului și puterea primită de piston, datorită presiunii gazelor care s-au format prin aprinderea combustibilului.

În termeni simpli, aceasta este conversia energiei termice sau termice care apare în timpul arderii amestecului de combustibil (aer și benzină) în energie mecanică. Trebuie remarcat faptul că acest lucru s-a întâmplat deja, de exemplu, în centralele electrice cu abur - și combustibilul, sub influența temperaturii, a împins pistoanele unităților. Cu toate acestea, instalațiile de acolo erau de multe ori mai mari, iar combustibilul în sine era solid (de obicei cărbune sau lemn de foc), ceea ce îngreuna transportul și exploatarea acestuia, era în mod constant necesar să-l „alimenteze” în cuptor cu lopeți. Motoarele cu ardere internă sunt mult mai compacte și mai ușoare decât motoarele cu abur, iar combustibilul este mult mai ușor de depozitat și transportat.

Mai multe despre pierderi

Privind în perspectivă, putem spune cu încredere că eficiența unui motor pe benzină este în intervalul 20 până la 25%. Și există multe motive pentru asta. Dacă luăm combustibilul primit și îl recalculăm ca procent, atunci obținem oarecum „100% din energie” care este transferată motorului, iar apoi pierderile au trecut:

1)Eficienta consumului de combustibil . Nu tot combustibilul se arde, o mică parte din acesta pleacă cu gazele de eșapament, la acest nivel pierdem deja până la 25% din eficiență. Desigur, acum sistemele de alimentare se îmbunătățesc, a apărut un injector, dar este departe de a fi ideal.

2) Al doilea este pierderile de căldură.Și . Motorul se încălzește singur și multe alte elemente, precum caloriferele, corpul său, lichidul care circulă în el. De asemenea, o parte din căldură dispare odată cu gazele de eșapament. Pentru toate acestea, până la 35% pierdere de eficiență.

3) Al treilea este pierderile mecanice . PE toate tipurile de pistoane, biele, inele - toate locurile unde există frecare. Aceasta include pierderile de la sarcina generatorului, de exemplu, cu cât generatorul produce mai multă energie electrică, cu atât încetinește mai mult rotația arborelui cotit. Desigur, lubrifianții au făcut un pas înainte, dar, din nou, nimeni nu a învins încă complet frecarea - încă o pierdere de 20%

Astfel, în reziduul uscat, eficiența este de aproximativ 20%! Desigur, există opțiuni remarcabile din opțiunile pe benzină, în care această cifră este crescută la 25%, dar nu sunt atât de multe.

Adică, dacă mașina ta consumă 10 litri de combustibil la 100 km, atunci doar 2 litri dintre ei vor merge direct la lucru, iar restul sunt pierderi!

Desigur, puteți crește puterea, de exemplu, plictisind capul, urmărim un scurt videoclip.

Dacă vă amintiți formula, obțineți:

Care motor are cel mai mare randament?

Acum vreau să vorbesc despre variantele pe benzină și diesel și să aflu care este cea mai eficientă.

Pentru a spune în termeni simpli, și pentru a nu intra în jungla termenilor tehnici, atunci - dacă comparăm două eficiențe - cel mai eficient dintre ele, desigur, este motorina și iată de ce:

1) Un motor pe benzină transformă doar 25% din energie în energie mecanică, dar un motor diesel transformă aproximativ 40%.

2) Dacă echipați tipul diesel cu un turbocompresor, atunci puteți obține o eficiență de 50-53%, iar acest lucru este foarte semnificativ.

Deci de ce este atât de eficient? Este simplu - în ciuda tipului similar de lucru (ambele sunt unități cu ardere internă), un motor diesel își face treaba mult mai eficient. Are o compresie mai mare, iar combustibilul se aprinde dintr-un principiu diferit. Se încălzește mai puțin, ceea ce înseamnă că economisește la răcire, are mai puține supape (economii la frecare) și, de asemenea, nu are bobinele obișnuite de aprindere și bujii, ceea ce înseamnă că nu necesită costuri suplimentare de energie de la generator. Funcționează la turații mai mici, nu este nevoie să pornești arborele cotit sălbatic - toate acestea fac din versiunea diesel un campion în eficiență.

Despre eficiența combustibilului diesel

De la o valoare mai mare a factorului de eficiență urmează și eficiența combustibilului. Deci, de exemplu, un motor de 1,6 litri poate consuma doar 3-5 litri în oraș, spre deosebire de tipul pe benzină, unde consumul este de 7-12 litri. Un motor diesel are multe, motorul în sine este adesea mai compact și mai ușor și, de asemenea, în În ultima vreme si mai prietenos cu mediul. Toate acestea puncte pozitive, sunt realizate datorită valoare mai mare, există o relație directă între eficiență și compresie, uită-te la o placă mică.

Cu toate acestea, în ciuda tuturor avantajelor, are și multe dezavantaje.

După cum devine clar, eficiența unui motor cu ardere internă este departe de a fi ideală, așa că viitorul este cu siguranță opțiuni electrice - rămâne doar să găsiți baterii eficiente, care să nu se teamă de îngheț și să mențină o încărcare mult timp.