Что такое КПД

Известно, что вечный двигатель невозможен. Это связано с тем, что для любого механизма справедливо утверждение: совершённая с помощью этого механизма полная работа (в том числе на нагревание механизма и окружающей среды, на преодоление силы трения) всегда больше полезной работы.

Например, больше половины работы двигателя внутреннего сгорания совершается впустую тратится на нагревание составных частей двигателя; некоторое количество теплоты уносят выхлопные газы.

Часто необходимо оценивать эффективность механизма, целесообразность его использования. Поэтому, чтобы рассчитывать, какая часть от совершённой работы тратится впустую и какая часть с пользой, вводится специальная физическая величина, которая показывает эффективность механизма.

Эта величина называется коэффициентом полезного действия механизма

Коэффициент полезного действия механизма равен отношению полезной работы к полной работе. Очевидно, коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Эту величину часто выражают в процентах. Обычно её обозначают греческой буквой η (читается «эта»). Сокращённо коэффициент полезного действия записывают КПД.

η = (А_полн /А_полезн) * 100 %,

где η КПД, А_полн полная работа, А_полезн полезная работа.

Среди двигателей наибольший коэффициент полезного действия имеет электрический двигатель (до 98 %). Коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания 20 % - 40 %, паровой турбины примерно 30 %.

Отметим, что для увеличения коэффициента полезного действия механизма часто стараются уменьшить силу трения. Это можно сделать, используя различные смазки или шарикоподшипники, в которых трение скольжения заменяется трением качения.

Примеры расчета КПД

Рассмотрим пример. Велосипедист массой 55 кг поднялся на велосипеде массой 5 кг на холм, высота которого 10 м, совершив при этом работу 8 кДж. Найдите коэффициент полезного действия велосипеда. Трение качения колёс о дорогу не учитывайте.

Решение. Найдём общую массу велосипеда и велосипедиста:

m = 55 кг + 5 кг = 60 кг

Найдем их общий вес:

P = mg = 60 кг * 10 Н/кг = 600 Н

Найдём работу, совершённую на подъём велосипеда и велосипедиста:

Aполезн = РS = 600 Н * 10 м = 6 кДж

Найдём КПД велосипеда:

А_полн /А_полезн * 100 % = 6 кДж / 8 кДж * 100 % = 75 %

Ответ: КПД велосипеда равен 75 %.

Рассмотрим ещё один пример. На конец плеча рычага подвешено тело массой m. К другому плечу прилагают силу F, направленную вниз, и его конец опускается на h. Найдите, насколько поднялось тело, если коэффициент полезного действия рычага равен η %.

Решение. Найдём работу, совершённую силой F:

η % от этой работы совершено на то, чтобы поднять тело массой m. Следовательно, на поднятие тела затрачено Fhη / 100. Так как вес тела равен mg, тело поднялось на высоту Fhη / 100 / mg.

Для современной котельной на жидком топливе КПД будет часто достигать 80% при том условии, что котельная чистая, без сажи. Однако, реальный КПД в среднем (у тех котельных, которые измерялись) примерно 65%. Чаще всего котельная не настолько чистая, чтобы она могла принять тепло от пламени и передать максимальное количество тепла воде.

Намного сложнее складывается ситуация, когда производители котельных начинают говоить о КПД, достигающем 95%. Непонятно, какие условия были при определении КПД, и какой КПД имеется в виду.

В технической/экономической области используется не менее 6 определений для КПД котельной. Поскольку многим людям неизвестны условия определения КПД котельной, поставщики, не боясь быть обвиненными во лжи, дают высокий КПД. Однако, эти высокие цифры не имеют ничего общего с действительностью плательщика за тепло.

1. КПД ГОРЕНИЯ

КПД горения - количество энергии топлива, которое ОСВОБОЖДАЕТСЯ при сжигании.

Освобождение энергии топлива и ее переход в тепло в очаге (печке) котельной не говорит о высоком КПД котельной. КПД горения предоставляется некоторыми производителями котельных как КПД котельной, поскольку 1) цифра высокая (примерно 93-95%) 2) легко измерить КПД горения - нужно установить инструмент в дымовые трубы.

Освобождение тепла из топлива происходит в большинстве котельных с высоким КПД горения.

Следовательно: Освобождение энергии топлива плюс ее переход в тепло в очаге (печке) это не то тепло, которое принимается котлом!! Мы же заинтересованы в том тепле, которое принимается котлом!!

2. КПД КОТЕЛЬНОЙ

КПД котельной - количество энергии топлива, которое полезно используется, т.е. преобразовывается в другую энергонесущую среду.

Под другой энергнесущей средой подразумевается, например, теплая воды, которая обогревает дом.

КПД котельной - это наиболее используемое определение КПД во всех типах установок по сжиганию.

КПД котельной измерить сложнее, чем КПД горения, поэтому многие довольствуются только измерением КПД горения. На самом деле, КПД котельной на 10-15% ниже, чем КПД горения.

3. КПД ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКИ

КПД ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКИ ПОКАЗЫВАЕТ, КАК ЭФФЕКТИВНО происходит ГОРЕНИЕ И ПРИЕМ ТЕПЛА В КОТЕЛНЬОЙ. Даже эти расчеты часто представляются в результате анализа дымогарных газов.

Часто КПД топочной техники используется в качестве примерного аналога КПД котельной, так как техника измерения в данном случае легче. С помощью этой техники можно получить примерную цифру для КПД котельной: необходимо постоянно проводить анализ состава кислорода или СО2 в дымогарных газах. Отнимаются потери, так как, например, в золе/шлаках присутствует часть тепла (особенно это касается шлакообразующих видов топлива). Что касается жидкого топлива, то КПД топочной техники и КПД котельной примерно одинаков, так как жидкое топливо не содержит золы/шлаков. Но если использовать это понятие для угля или биотопливо, то погрешности (ошибки) значительно выше.

4. КПД УСТАНОВКИ

При вычислении КПД установки определяется отношение между общим объемом полезной энергии и общим количеством энергии. В общее количество энергии входит также "вспомогательная энергия", например, электрическая энергия необходимая для работы насосов котельной, вентиляции, дымоходов и т.д. Для установки на жидком топливе "вспомогательная энергия" соответствует примерно 1% от общей энергии топлива, для установок на твердом топливе "вспомогательная энергия" равняется 5% от энергии топлива.
КПД установки, таким образом, будет ниже, чем КПД котельной.

5. КПД СИСТЕМЫ

Определение КПД системы расширяет границы системы до:

Производства тепла с потерями
- распределения тепла с потерями в теплотрассах и т.д.
- использования тепла

Согласно UNICHAL (Международный союз поставщиков тепла) следующие типичные потери в трубах при распространении горячей воды в квартиры имеют место:

Швеция - 8% потерь в трубах, т.е. тепло отдается земле и окружению труб ЦТ
Дания - 20%
Финляндия - 9%
Бельгия - 13%
Швейцария - 13%
Западная Германия - 11%

6. КПД годовой

КПД в год в принципе соответствует КПД котельной, но тогда рассчитывается среднее КПД котельной в течение всего года. В КПД в год входят также периоды с плохим уровнем горением, например, при запуске котельной и т.д.

КПД в год зависит от размера установки, срока эксплуатации и т.д.

Изложенное выше, показывает, что используются различные определения для КПД, поэтому существуют большая вероятность того, что будет дана ошибочная цифра, если понятие и определение КПД не уточнено. Таким образом, не стоит бояться быть нетактичным, поскольку на самом деле, многие производители, обладая или не обладая знаниями, предоставляют ошибочные цифры.

Важны те цифры, которые отражают реальную экономическую сторону того топлива, которое потребитель покупает. Если потерять доверие потребителя из-за предоставления слишком высокого КПД, то появление больших проблем на рынке неизбежно.

Как сказано, "все поставщики" (по крайней мере много) дают КПД горения, когда они предлагают информацию о КПД котельной.

Нельзя использовать КПД горения при расчете экономики установки!!!

Потребитель ПОКУПАЕТ НЕ ТОПЛИВО, А СРЕДСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛА. Не топливо должно быть дешевым, а тепло, которые потребители получают во время зимних вьюг.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 < T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :

A 34 = Q 2 ,

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Суть формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Речь в данной статье пойдёт о всем знакомого, но многим не понятного термина коэффициент полезного действия (КПД). Что же это такое? Давайте разберёмся. Коэффициент полезного действия, далее по тексту (КПД) - характеристика эффективности системы какого-либо устройства, в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезной использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. Обозначается обычно? (« эта»). ? = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде: n=(A:Q) х100 %, где А - полезная работа, а Q - затраченная работа. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии! Просматривая разные сайты, часто удивляюсь, как радиолюбители сообщают, вернее, хвалят свои конструкции, за высокий КПД, не имея понятия, что это такое! Для наглядности на примере рассмотрим упрощенную схему преобразователя, и узнаем, как найти КПД устройства. Упрощенная схема изображена на рис.1

Допустим за основу взяли повышающий DC/DC преобразователь напряжения (далее ПН), из однополярного, в повышенное однополярное. В разрыв цепи питания включаем амперметр РА1,и параллельно входу питания ПН вольтметр РА2, показания которых нужны для расчёта потребляемой (Р1) мощности устройства и нагрузки вместе от источника питания. К выходу ПН в разрыв питания нагрузки тоже включаем амперметр РАЗ и вольтметр РА4, требующиеся для расчёта потребляемой нагрузкой (Р2) мощности от ПН. Итак, всё готово для расчёта КПД, тогда приступим. Включаем своё устройство, производим замеры показаний приборов и рассчитываем мощности Р1 и Р2. Отсюда Р1=I1 x U1, и P2=I2 x U2. Теперь рассчитываем КПД по формуле: КПД(%)= Р2: Р1 х100. Вот теперь вы узнали примерно реальный КПД своего устройства. По подобной формуле можно рассчитать ПН и с двух полярным выходом по формуле: КПД(%)= (Р2+Р3) : Р1 х100, а также понижающий преобразователь. Следует отметить, что в значение (Р1) входит также и ток потребления, например: ШИМ-контроллёра, и (или) драйвера управления полевыми транзисторами, и прочими элементами конструкции.

Для справки: производители автоусилителей зачастую указывают выходную мощность усилителя намного больше, чем в реальности! Но, узнать примерную реальную мощность автоусилителя, можно по простой формуле. Допустим на автоусилителе в цепи питания +12v, стоит предохранитель на 50 А. Высчитываем, Р=12V х 50A, итого получаем мощность потребления 600 Вт. Даже в качественных и дорогих моделях КПД всего устройства вряд ли превышает 95%. Ведь часть КПД рассеивается в виде тепла на мощных транзисторах, обмотках трансформатора, выпрямителях. Так вот вернёмся к расчёту, получаем 600 Вт: 100% х92=570Вт. Следовательно, не какие там 1000 Вт или даже 800 Вт, как пишут производители, этот автоусилитель не выдаст! Надеюсь, эта статья поможет Вам разобраться в такой относительной величине, как КПД! Всем удачи в разработках и повторении конструкций. С Вами был invertor.

Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.

Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики*, следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Т 1 и холодильником температуры Т 2 , не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

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

Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по обратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т 1 и Т 2 .

Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) η’ > η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина - по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5):

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

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

(5.12.12)

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

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

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η" > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение т|" < г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, или

Это и есть основной результат:

(5.12.13)

Кпд реальных тепловых машин

Формула (5.12.13) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 = 800 К и Т 2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

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

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения
, где Т 1 - абсолютная температура нагревателя, а Т 2 - абсолютная температура холодильника.