Енциклопедичний YouTube
-
1 / 5
Математично визначення ККД може бути записане у вигляді:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)де А- Корисна робота (енергія), а Q- Витрачена енергія.
Якщо ККД виражається у відсотках, він обчислюється по формуле:
η = A Q × 100 % (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X)) = Q_(\mathrm (X) )/A),де Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- тепло, яке відбирається від холодного кінця (у холодильних машинах холодопродуктивність); A (\displaystyle A)
Для теплових насосів використовують термін коефіцієнт трансформації
ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),де Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- тепло конденсації, що передається теплоносія; A (\displaystyle A)- робота, що витрачається на цей процес (або електроенергія).
В ідеальній машині Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), звідси для ідеальної машини ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)
Найкращими показникамипродуктивності для холодильних машин має зворотний, цикл, карно: в ньому холодильний коефіцієнт.
ε = T X T Γ − T X (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\Gamma )-T_(\mathrm (X) )))), оскільки, крім прийнятої в розрахунок енергії A(напр., електричної), тепло Qйде й енергія, що відбирається від холодного джерела.Робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:
Вперше цей процес було розглянуто французьким інженером і вченим Н. Л. С. Карно в 1824 р. в книзі «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу».
Метою досліджень Карно було з'ясування причин недосконалості теплових машин на той час (вони мали ККД ≤ 5 %) та пошуки шляхів їх удосконалення.
Цикл Карно - найефективніший із усіх можливих. Його ККД максимальний.
На малюнку зображені термодинамічні процеси циклу. У процесі ізотермічного розширення (1-2) за температури T 1 , робота відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергії нагрівача, тобто за рахунок підведення до газу кількості теплоти Q:
A 12 = Q 1 ,
Охолодження газу перед стисненням (3-4) відбувається при адіабатному розширенні (2-3). Зміна внутрішньої енергії ΔU 23 при адіабатному процесі ( Q = 0) повністю перетворюється на механічну роботу:
A 23 = -ΔU 23 ,
Температура газу в результаті адіабатичного розширення (2-3) знижується до температури холодильника T 2 < T 1 . У процесі (3-4) газ ізотермічно стискається, передаючи холодильнику кількість теплоти. Q 2:
A 34 = Q 2,
Цикл завершується процесом адіабатичного стиснення (4-1), при якому газ нагрівається до температури Т 1.
Максимальне значення ККД теплових двигунів, що працюють на ідеальному газі, за циклом Карно:
.Суть формули виражена у доведеній З. Карно теореміпро те, що ККД будь-якого теплового двигуна не може перевищувати ККД циклуКарно, що здійснюється за тієї ж температури нагрівача і холодильника.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) - характеристика ефективності системи (пристрою, машини) щодо перетворення чи передачі енергії. Визначається ставленням корисно використаної енергії до сумарної кількості енергії, отриманої системою; позначається зазвичай η («ця»). η = Wпол/Wcyм. ККД є безрозмірною величиною і часто вимірюється у відсотках. Математично визначення ККД може бути записане у вигляді:
X 100%,
де А- Корисна робота, а Q- Витрачена енергія.
Через закон збереження енергії ККД завжди менше одиниці чи дорівнює їй, тобто неможливо отримати корисної роботи більше, ніж витрачено енергії.
ККД теплового двигуна- Відношення довершеної корисної роботидвигуна до енергії, отриманої від нагрівача. ККД теплового двигуна може бути обчислений за такою формулою
,де – кількість теплоти, отримана від нагрівача, – кількість теплоти, віддана холодильнику. Найбільшим ККД серед циклічних машин, що оперують при заданих температурах гарячого джерела T 1 та холодного T 2 , мають теплові двигуни, що працюють за циклом Карно ; цей граничний ККД дорівнює
.Не всі показники, що характеризують ефективність енергетичних процесів, відповідають наведеному вище опису. Навіть якщо вони традиційно чи помилково називаються «», вони можуть мати інші властивості, зокрема, перевищувати 100%.
ККД котлів
Основна стаття: Тепловий баланс котла
ККД котлів на органічному паливі традиційно розраховується за нижчою теплотою згоряння; при цьому передбачається, що волога продуктів згоряння залишає котел у вигляді перегрітої пари. У конденсаційних казанах ця волога конденсується, теплота конденсації корисно використовується. При розрахунку ККДпо нижчій теплоті згоряння він може вийти більше одиниці. У даному випадкукоректніше було б вважати його за найвищою теплотою згоряння, що враховує теплоту конденсації пари; Однак при цьому показники такого котла важко порівнювати з даними про інші установки.
Теплові насоси та холодильні машини
Перевагою теплових насосів як нагрівальної техніки є можливість іноді отримувати більше теплоти, ніж витрачається енергія на їх роботу; аналогічно холодильна машина може відвести від охолоджуваного кінця більше теплоти, ніж витрачається на організацію процесу.
Ефективність таких теплових машин характеризують холодильний коефіцієнт(для холодильних машин) або коефіцієнт трансформації(Для теплових насосів)
,де - тепло, яке відбирається від холодного кінця (у холодильних машинах) або передається до гарячого (у теплових насосах); - робота, що витрачається на цей процес (або електроенергія). Найкращими показниками продуктивності для таких машин має зворотний цикл Карно: у ньому холодильний коефіцієнт
,де , - Температури гарячого і холодного кінців, . Ця величина, очевидно, може бути як завгодно велика; хоча практично до неї важко наблизитися, холодильний коефіцієнт все ж таки може перевищувати одиницю. Це не суперечить першому початку термодинаміки , оскільки, крім енергії, що приймається в розрахунок A(напр. електричної), тепло Qйде й енергія, що відбирається від холодного джерела.
Література
- Перишкін А. В.фізика. 8 клас. – Дрофа, 2005. – 191 с. - 50 000 екз. - ISBN 5-7107-9459-7.
Примітки
Wikimedia Foundation. 2010 .
Синоніми:- Turbo Pascal
- ККД
Дивитися що таке "" в інших словниках:
коефіцієнт корисної дії- Відношення потужності, що віддається, до споживаної активної потужності. [ОСТ 45.55 99] коефіцієнт корисної діїККД Величина, що характеризує досконалість процесів перетворення, перетворення або передачі енергії, що є ставленням корисною. Довідник технічного перекладача
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ- або коефіцієнт віддачі (Efficiency) – характеристика якості роботи будь-якої машини або апарату з боку її економічності. Під К. П. Д. мається на увазі відношення кількості отриманої від машини роботи або енергії від апарата до тієї кількості.
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ- (К.п.д.), показник ефективності дії механізму, що визначається як відношення роботи, що здійснюється механізмом, до роботи, витраченої на його функціонування. К.п.д. зазвичай виражають у відсотках. Ідеальний механізм мав би мати к.п.д =… … Науково-технічний енциклопедичний словник
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ Сучасна енциклопедія
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ- (ККД) характеристика ефективності системи (пристрою, машини) щодо перетворення енергії; визначається ставленням корисно використаної енергії (перетвореної на роботу при циклічному процесі) до сумарної кількості енергії, … Великий Енциклопедичний словник
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ- (ККД), характеристика ефективності системи (пристрою, машини) щодо перетворення або передачі енергії; визначається ставленням т) корисно використаної енергії (Wпол) до сумарного колу енергії (Wсум), отриманого системою; h=Wпол… … Фізична енциклопедія
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ- (ККД) відношення корисно використовуваної енергії W п, напр. у вигляді роботи, до загальної кількості енергії W, одержуваної системою (машиною або двигуном), W п/W. Через неминучі втрати енергії на тертя та ін. нерівноважні процеси для реальних систем. Фізична енциклопедія
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ- Відношення корисно витрачається роботи або одержуваної енергії до всієї витраченої роботи або відповідно споживаної енергії. Напр., К. п. д. електродвигуна відношення механ. потужності, що їм віддається, до електр. потужності; К.… … Технічний залізничний словник
коефіцієнт корисної дії- сущ., кіл у синонімів: 8 ккд (4) віддача (27) плідність (10) … Словник синонімів
Коефіцієнт корисної дії- - величина, що характеризує досконалість будь-якої системи по відношенню до будь-якого процесу перетворення або передачі енергії, що протікає в ній, яка визначається як відношення корисної роботи, до роботи, витраченої на приведення в дію. Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів
Коефіцієнт корисної дії- (ккд), числова характеристика енергетичної ефективності будь-якого пристрою чи машини (зокрема теплової машини). Ккд визначається ставленням корисно використаної енергії (тобто перетвореної на роботу) до сумарної кількості енергії, … Ілюстрований енциклопедичний словник
Напевно, кожен ставив питання про ККД (Коефіцієнт Корисної Дії) двигуна внутрішнього згоряння. Адже що вище цей показник, то ефективніше працює силовий агрегат. Найефективнішим на Наразічасу вважається електричний тип, його ККД може досягати до 90 - 95%, а ось у моторів внутрішнього згоряння, чи то дизель чи бензин він м'яко сказати, далекий від ідеалу.
Якщо чесно, то сучасні варіантимоторів набагато ефективніші за своїх побратимів, які були випущені років так 10 тому, і причин цьому маса. Самі подумайте раніше варіант 1,6 літра, видавав лише 60 – 70 к.с. Нині ж це значення може досягати 130 – 150 к.с. Це копітка робота над збільшенням ККД, в який кожен «крок» дається методом спроб і помилок. Однак почнемо з визначення.
- Це значення відношення двох величин, потужності яка подається на колінчастий валдвигуна до потужності одержуваної поршнем, за рахунок тиску газів, що утворилися шляхом займання палива.
Якщо сказати простою мовою, то це перетворення термічної або теплової енергії, яка з'являється при згорянні паливної суміші(повітря та бензин) в механічну. Потрібно відзначити, що таке вже бувало, наприклад у парових. силових установок- також паливо під впливом температури штовхало поршні агрегатів. Однак там установки були в рази більші, та й саме паливо було тверде (зазвичай вугілля чи дрова), що ускладнювало його перевезення та експлуатацію, постійно потрібно було «піддавати» в піч лопатами. Мотори внутрішнього згоряння набагато компактніші і легші за «парові», та й паливо набагато простіше зберігати і перевозити.
Детальніше про втрати
Якщо забігати вперед, то можна впевнено сказати, що ККД бензинового двигуна знаходиться в межах від 20 до 25 %. І на це є багато причин. Якщо взяти паливо, що надходить, і перерахувати його на відсотки, то ми ніби отримуємо «100% енергії», яка передається двигуну, а далі пішли втрати:
1)Паливна ефективність . Не все паливо згоряє, невелика його частина йде з відпрацьованими газами, на цьому рівні ми вже втрачаємо до 25% ККД. Звичайно, зараз паливні системипокращуються, з'явився інжектор, але й він далекий від ідеалу.
2) Друге це теплові втратиі . Двигун прогріває себе та безліч інших елементів, такі як радіатори, свій корпус, рідина, яка в ньому циркулює. Також частина тепла йде з вихлопними газами. На це ще до 35% втрати ККД.
3) Третє це механічні втрати . На різного роду поршні, шатуни, кільця – всі місця, де є тертя. Сюди можна віднести й втрати від навантаження генератора, наприклад, чим більше електрики виробляє генератор, тим сильніше він гальмує обертання коленвала. Звичайно, мастила також зробили крок вперед, але знову ж таки повністю тертя ще нікому не вдалося перемогти - втрати ще 20%
Таким чином, у сухому залишку ККД дорівнює близько 20%! Звичайно з бензинових варіантів є варіанти, що виділяються, у яких цей показник збільшений до 25%, але їх не так багато.
Тобто якщо ваш автомобіль витрачає палива 10 літрів на 100 км, то з них всього 2 літри підуть безпосередньо на роботу, а решта це втрати!
Звичайно можна збільшити потужність, наприклад, за рахунок розточування головки, дивимося невелике відео.
Якщо згадати формулу, то виходить:
Який двигун має найбільший ККД?
Тепер хочу поговорити про бензиновий та дизельний варіанти, і з'ясувати хто ж із них найбільш ефективний.
Якщо сказати простими, язиком і не лізти в нетрі технічних термінівто – якщо порівняти два ККД – ефективніше з них, звичайно ж дизель і ось чому:
1) Бензиновий двигун перетворює лише 25% енергії на механічну, а от дизельний близько 40%.
2) Якщо оснастити дизельний типтурбонаддувом, то можна досягти ККД у 50-53%, а це дуже суттєво.
То чому він такий ефективний? Все просто - не дивлячись на подібний тип роботи (і той і інший є агрегатами внутрішнього згоряння) дизель виконує свою роботу набагато ефективніше. У нього більший стиск, та й паливо спалахує від іншого принципу. Він менше нагрівається, а значить відбувається економія на охолодженні, у нього менше клапанів (економія на терті), також у нього немає звичних нам котушок запалення і свічок, а значить не потрібні додаткові енергетичні витрати від генератора. Працює він із меншими оборотами, не треба шалено розкручувати колінвал — все це робить дизельний варіантчемпіоном з ККД.
Про паливну ефективність дизеля
З більш високого значеннякоефіцієнта корисної дії – слід і паливна ефективність. Так, наприклад, двигун 1,6 літра може витрачати по місту всього 3 – 5 літрів, на відміну від бензинового типу, Де витрати 7 - 12 літрів. У дизеля набагато , сам двигун часто компактніше і легше, а так само останнім часом і екологічніше. Всі ці позитивні моменти, що досягаються завдяки більшому значенню, є пряма залежність ККД і стиснення, дивимося невелику табличку.
Однак, незважаючи на всі плюси, у нього також багато і мінусів.
Як стає зрозуміло, ККД двигунавнутрішнього згоряння далеке від ідеалу, тому майбутнє однозначно за електричними варіантами – залишилося тільки знайти ефективні акумулятори, які не бояться морозу та довго тримають заряд.
ККД, за своїм визначенням, це ставлення отриманої енергії до витраченої. Якщо двигун спалює бензин і тільки третина тепла, що утворився, перетворюється на енергію руху автомобіля, то ККД дорівнює одній третині або (округлюючи до цілих) 33%. Якщо лампочка дає світлової енергії в п'ятдесят разів менше, ніж споживана електрична, її ККД дорівнює 1/50 або 2%. Однак тут одразу виникає питання: а якщо лампочка продається як інфрачервоний обігрівач? Після того як продаж ламп розжарювання був заборонений, такі ж по конструкції пристрою стали продаватися як "інфрачервоні обігрівачі", оскільки саме в тепло перетворюється понад 95% електроенергії.
(Без)корисне тепло
Зазвичай тепло, що виділяється під час роботи чогось, записують у втрати. Але це далеко не безперечно. Електростанція, наприклад, перетворює на електроенергію приблизно третину тепла, що виділяється при згорянні газу або вугілля, проте ще частина енергії може при цьому піти на нагрівання води. Якщо гаряче водопостачання та теплі батареї також записати в корисні результати роботи ТЕЦ, то ККД зросте на 10-15%.
Подібним прикладом може бути автомобільна "пічка": вона передає в салон частину тепла, що утворюється при роботі двигуна. Це тепло може бути корисним і необхідним, а може розглядатися як втрати: тому воно зазвичай не фігурує в розрахунках ККД автомобільного мотора.
Особняком стоять такі пристрої, як теплові насоси. Їх ККД, якщо рахувати його за співвідношенням виданого тепла та витраченої електрики, більше 100%, проте це не спростовує основи термодинаміки. Тепловий насос перекачує тепло від менш нагрітого тіла до нагрітого і витрачає на це енергію, оскільки без витрат енергії подібний перерозподіл теплоти заборонено тією самою термодинамікою. Якщо тепловий насос бере з розетки кіловат, а видає п'ять кіловат тепла, то чотири кіловати будуть взяті з повітря, води чи ґрунту поза домом. Навколишнє середовище там, звідки пристрій черпає тепло, охолоне, а будинок прогріється. Але потім ця теплота разом із витраченою насосом енергією все одно розсіється у просторі.
Зовнішній контур теплового насоса: через ці пластикові труби прокачується рідина, що забирає тепло з товщі води в будівлю, що опалюється. Mark Johnson / Wikimedia
Багато чи ефективно?
Деякі пристрої мають дуже високий ККД, але при цьому – невідповідну потужність.
Електричні мотори тим ефективніші, чим вони більші, проте поставити електровозний двигун у дитячу іграшку фізично неможливо та економічно безглуздо. Тому ККД двигунів у локомотиві перевищує 95%, а у маленькій машинці на радіокеруванні – від сили 80%. Причому у випадку з електричним двигуномйого ефективність залежить також від навантаження: недовантажений або перевантажений мотор працює з меншим ККД. Правильний підбіробладнання може означати навіть більше, ніж просто вибір пристрою із максимальним заявленим ККД.
Найпотужніший серійний локомотив, шведський IORE. Друге місце утримує радянський електровоз ПЛ-85. Kabelleger / Wikimedia
Якщо електричні мотори випускаються для різних цілей, від вібраторів в телефонах до електровозів, то ось іонний двигун має набагато меншу нішу. Іонні двигуниефективні, економічні, довговічні (працюють без виключення роками), але включаються лише у вакуумі та дають дуже малу тягу. Вони ідеально підходять для відправки в далекий космос наукових апаратів, які можуть летіти до мети кілька років і для яких економія палива важливіша за витрати часу.
Електричні мотори, до речі, споживають майже половину всієї електроенергії, що виробляється людством, так що навіть різниця в одну соту відсотка у світовому масштабі може означати необхідність побудувати ще один ядерний реактор або ще один енергоблок ТЕЦ.
Ефективно чи дешево?
Енергетична ефективність далеко не завжди тотожна економічній. Наочний приклад - світлодіодні лампи, які до недавнього часу програвали лампам розжарювання та флуоресцентним "енергозберігаючим". Складність виготовлення білих світлодіодів, дорожнеча сировини і, з іншого боку, простота лампи розжарювання змушували вибирати менш ефективні, проте дешеві джерела світла.
До речі, за винахід синього світлодіода, без якого не можна було б зробити яскраву білу лампу, японські дослідники отримали в 2014 році Нобелівську премію. Це не перша премія, що вручається за внесок у розвиток освітлення: 1912 року нагородили Нільса Далена, винахідника, який удосконалив ацетиленові пальники для маяків.
Сині світлодіоди потрібні для отримання білого світла у поєднанні з червоними та зеленими. Ці два кольори навчилися отримувати достатньо яскравих світлодіодівнабагато раніше; сині довгий часзалишалися занадто тьмяними та дорогими для масового застосування
Інший приклад ефективних, але дуже дорогих пристроїв- Сонячні батареї на основі арсеніду галію (напівпровідник з формулою GaAs). Їх ККД досягає майже 30%, що в півтора-два рази вище батарей, що використовуються на Землі, на основі куди більш поширеного кремнію. Висока ефективністьвиправдовує себе лише у космосі, куди доставка одного кілограма вантажу може коштувати майже як кілограм золота. Тоді економію на масі батареї буде виправдано.
ККД ліній електропередач можна підняти за рахунок заміни міді на краще струм, що проводить струм срібло, проте срібні кабелі занадто дорогі і тому використовуються хіба що в поодиноких випадках. А ось до ідеї побудувати надпровідні ЛЕП з дорогої рідкої азоту кераміки, яка потребує охолодження рідким азотом. Останніми рокамикілька разів зверталися практично. Зокрема, такий кабель вже прокладено та підключено у німецькому місті Ессені. Він розрахований на 40 мегават. електричної потужностіпри напрузі десять кіловольт. Крім того що втрати на нагрівання зведені до нуля (проте натомість потрібно живити кріогенні установки), такий кабель набагато компактніший за звичайний і за рахунок цього можна заощадити на купівлі дорогої землі в центрі міста або відмовитися від прокладання додаткових тунелів.
Не за загальними правилами
Зі шкільного курсу багато хто пам'ятає, що ККД не може перевищувати 100% і що він тим вищий, ніж більше різницятемператур між холодильником та нагрівачем. Однак це вірно лише для так званих теплових двигунів: парова машина, двигун внутрішнього згоряння, реактивні та ракетні двигуни, газові та парові турбіни.
Електродвигуни та все електричні пристроїцьому правилу не підкоряються, оскільки вони не теплові машини. Їх вірно лише те, що ККД неспроможна перевищувати ста відсотків, а приватні обмеження кожному разі визначаються по-різному.
У разі сонячної батареї втрати визначаються як квантовими ефектами при поглинанні фотонів, так і втратами на відбиття світла від поверхні батареї і на поглинання у дзеркалах, що фокусують. Проведені розрахунки показали, що вийти за 90% сонячна батареяне може в принципі, а на практиці можна досягти значення близько 60-70%, та й ті при дуже складній структурі фотоосередків.
Чудовим ККД мають паливні елементи. У ці устрою надходять деякі речовини, які входять у хімічну реакцію друг з одним і дають електричний струм. Цей процес знову-таки не є циклом теплової машини, тому ККД виходить досить високим, близько 60%, у той час як дизель або бензиновий двигунзазвичай не виходять за 50%.
Саме паливні елементи стояли на літаючих до Місяця космічних кораблях"Аполло", і вони можуть працювати, наприклад, на водні та кисні. Їхній недолік полягає лише в тому, що водень має бути досить чистим і до того ж його треба десь зберігати і якось передавати від заводу до споживачів. Технології, що дають змогу замінити воднем звичайний метан, поки що не доведені до масового використання. На водні та паливних елементахпрацюють лише експериментальні автомобілі та кілька підводних човнів.
Плазмові двигуни серії СПД. Їх робить ОКБ «Смолоскип», і вони використовуються для утримання супутників на заданій орбіті. Тяга створюється за рахунок потоку іонів, що виникають після іонізації інертного газу електричним розрядом. ККД цих двигунів досягає 60 відсотків
Іонні та плазмові двигуни вже існують, але теж працюють лише у вакуумі. Крім того, їхня тяга надто мала і на порядки нижче ваги самого пристрою - з Землі вони не злетіли б навіть за відсутності атмосфери. Натомість під час міжпланетних польотів тривалістю в багато місяців і навіть роки слабкий потяг компенсується економічністю та надійністю.
