Расчет кпд двигателя: Формула КПД электродвигателя

Содержание

Определение КПД электродвигателя и его мощности

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель.
Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры.
Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1
где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95.
Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами.
Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

Электродвигатель АИР характеристики

Тип двигателя	Р, кВт	Номинальная частота вращения, об/мин	кпд,*	COS ф	1п/1н	Мп/Мн	Мmах/Мн	1н, А	Масса, кг
Купить АИР56А2	0,18	2840	68,0	0,78	5,0	2,2	2,2	0,52	3,4
Купить АИР56В2	0,25	2840	68,0	0,698	5,0	2,2	2,2	0,52	3,9
Купить АИР56А4	0,12	1390	63,0	0,66	5,0	2,1	2,2	0,44	3,4
Купить АИР56В4	0,18	1390	64,0	0,68	5,0	2,1	2,2	0,65	3,9
Купить АИР63А2	0,37	2840	72,0	0,86	5,0	2,2	2,2	0,91	4,7
Купить АИР63В2	0,55	2840	75,0	0,85	5,0	2,2	2,3	1,31	5,5
Купить АИР63А4	0,25	1390	68,0	0,67	5,0	2,1	2,2	0,83	4,7
Купить АИР63В4	0,37	1390	68,0	0,7	5,0	2,1	2,2	1,18	5,6
Купить АИР63А6	0,18	880	56,0	0,62	4,0	1,9	2	0,79	4,6
Купить АИР63В6	0,25	880	59,0	0,62	4,0	1,9	2	1,04	5,4
Купить АИР71А2	0,75	2840	75,0	0,83	6,1	2,2	2,3	1,77	8,7
Купить АИР71В2	1,1	2840	76,2	0,84	6,9	2,2	2,3	2,6	10,5
Купить АИР71А4	0,55	1390	71,0	0,75	5,2	2,4	2,3	1,57	8,4
Купить АИР71В4	0,75	1390	73,0	0,76	6,0	2,3	2,3	2,05	10
Купить АИР71А6	0,37	880	62,0	0,70	4,7	1,9	2,0	1,3	8,4
Купить АИР71В6	0,55	880	65,0	0,72	4,7	1,9	2,1	1,8	10
Купить АИР71А8	0,25	645	54,0	0,61	4,7	1,8	1,9	1,1	9
Купить АИР71В8	0,25	645	54,0	0,61	4,7	1,8	1,9	1,1	9
Купить АИР80А2	1,5	2850	78,5	0,84	7,0	2,2	2,3	3,46	13
Купить АИР80А2ЖУ2	1,5	2850	78,5	0,84	7,0	2,2	2,3	3,46	13
Купить АИР80В2	2,2	2855	81,0	0,85	7,0	2,2	2,3	4,85	15
Купить АИР80В2ЖУ2	2,2	2855	81,0	0,85	7,0	2,2	2,3	4,85	15
Купить АИР80А4	1,1	1390	76,2	0,77	6,0	2,3	2,3	2,85	14
Купить АИР80В4	1,5	1400	78,5	0,78	6,0	2,3	2,3	3,72	16
Купить АИР80А6	0,75	905	69,0	0,72	5,3	2,0	2,1	2,3	14
Купить АИР80В6	1,1	905	72,0	0,73	5,5	2,0	2,1	3,2	16
Купить АИР80А8	0,37	675	62,0	0,61	4,0	1,8	1,9	1,49	15
Купить АИР80В8	0,55	680	63,0	0,61	4,0	1,8	2,0	2,17	18
Купить АИР90L2	3,0	2860	82,6	0,87	7,5	2,2	2,3	6,34	17
Купить АИР90L2ЖУ2	3,0	2860	82,6	0,87	7,5	2,2	2,3	6,34	17
Купить АИР90L4	2,2	1410	80,0	0,81	7,0	2,3	2,3	5,1	17
Купить АИР90L6	1,5	920	76,0	0,75	5,5	2,0	2,1	4,0	18
Купить АИР90LA8	0,75	680	70,0	0,67	4,0	1,8	2,0	2,43	23
Купить АИР90LB8	1,1	680	72,0	0,69	5,0	1,8	2,0	3,36	28
Купить АИР100S2	4,0	2880	84,2	0,88	7,5	2,2	2,3	8,2	20,5
Купить АИР100S2ЖУ2	4,0	2880	84,2	0,88	7,5	2,2	2,3	8,2	20,5
Купить АИР100L2	5,5	2900	85,7	0,88	7,5	2,2	2,3	11,1	28
Купить АИР100L2ЖУ2	5,5	2900	85,7	0,88	7,5	2,2	2,3	11,1	28
Купить АИР100S4	3,0	1410	82,6	0,82	7,0	2,3	2,3	6,8	21
Купить АИР100L4	4,0	1435	84,2	0,82	7,0	2,3	2,3	8,8	37
Купить АИР100L6	2,2	935	79,0	0,76	6,5	2,0	2,1	5,6	33,5
Купить АИР100L8	1,5	690	74,0	0,70	5,0	1,8	2,0	4,4	33,5
Купить АИР112M2	7,5	2895	87,0	0,88	7,5	2,2	2,3	14,9	49
Купить АИР112М2ЖУ2	7,5	2895	87,0	0,88	7,5	2,2	2,3	14,9	49
Купить АИР112М4	5,5	1440	85,7	0,83	7,0	2,3	2,3	11,7	45
Купить АИР112MA6	3,0	960	81,0	0,73	6,5	2,1	2,1	7,4	41
Купить АИР112MB6	4,0	860	82,0	0,76	6,5	2,1	2,1	9,75	50
Купить АИР112MA8	2,2	710	79,0	0,71	6,0	1,8	2,0	6,0	46
Купить АИР112MB8	3,0	710	80,0	0,73	6,0	1,8	2,0	7,8	53
Купить АИР132M2	11	2900	88,4	0,89	7,5	2,2	2,3	21,2	54
Купить АИР132М2ЖУ2	11	2900	88,4	0,89	7,5	2,2	2,3	21,2	54
Купить АИР132S4	7,5	1460	87,0	0,84	7,0	2,3	2,3	15,6	52
Купить АИР132M4	11	1450	88,4	0,84	7,0	2,2	2,3	22,5	60
Купить АИР132S6	5,5	960	84,0	0,77	6,5	2,1	2,1	12,9	56
Купить АИР132M6	7,5	970	86,0	0,77	6,5	2,0	2,1	17,2	61
Купить АИР132S8	4,0	720	81,0	0,73	6,0	1,9	2,0	10,3	70
Купить АИР132M8	5,5	720	83,0	0,74	6,0	1,9	2,0	13,6	86
Купить АИР160S2	15	2930	89,4	0,89	7,5	2,2	2,3	28,6	116
Купить АИР160S2ЖУ2	15	2930	89,4	0,89	7,5	2,2	2,3	28,6	116
Купить АИР160M2	18,5	2930	90,0	0,90	7,5	2,0	2,3	34,7	130
Купить АИР160М2ЖУ2	18,5	2930	90,0	0,90	7,5	2,0	2,3	34,7	130
Купить АИР160S4	15	1460	89,4	0,85	7,5	2,2	2,3	30,0	125
Купить АИР160S4ЖУ2	15	1460	89,4	0,85	7,5	2,2	2,3	30,0	125
Купить АИР160M4	18,5	1470	90,0	0,86	7,5	2,2	2,3	36,3	142
Купить АИР160S6	11	970	87,5	0,78	6,5	2,0	2,1	24,5	125
Купить АИР160M6	15	970	89,0	0,81	7,0	2,0	2,1	31,6	155
Купить АИР160S8	7,5	720	85,5	0,75	6,0	1,9	2,0	17,8	125
Купить АИР160M8	11	730	87,5	0,75	6,5	2,0	2,0	25,5	150
Купить АИР180S2	22	2940	90,5	0,90	7,5	2,0	2,3	41,0	150
Купить АИР180S2ЖУ2	22	2940	90,5	0,90	7,5	2,0	2,3	41,0	150
Купить АИР180M2	30	2950	91,4	0,90	7,5	2,0	2,3	55,4	170
Купить АИР180М2ЖУ2	30	2950	91,4	0,90	7,5	2,0	2,3	55,4	170
Купить АИР180S4	22	1470	90,5	0,86	7,5	2,2	2,3	43,2	160
Купить АИР180S4ЖУ2	22	1470	90,5	0,86	7,5	2,2	2,3	43,2	160
Купить АИР180M4	30	1470	91,4	0,86	7,2	2,2	2,3	57,6	190
Купить АИР180М4ЖУ2	30	1470	91,4	0,86	7,2	2,2	2,3	57,6	190
Купить АИР180M6	18,5	980	90,0	0,81	7,0	2,1	2,1	38,6	160
Купить АИР180M8	15	730	88,0	0,76	6,6	2,0	2,0	34,1	172
Купить АИР200M2	37	2950	92,0	0,88	7,5	2,0	2,3	67,9	230
Купить АИР200М2ЖУ2	37	2950	92,0	0,88	7,5	2,0	2,3	67,9	230
Купить АИР200L2	45	2960	92,5	0,90	7,5	2,0	2,3	82,1	255
Купить АИР200L2ЖУ2	45	2960	92,5	0,90	7,5	2,0	2,3	82,1	255
Купить АИР200M4	37	1475	92,0	0,87	7,2	2,2	2,3	70,2	230
Купить АИР200L4	45	1475	92,5	0,87	7,2	2,2	2,3	84,9	260
Купить АИР200M6	22	980	90,0	0,83	7,0	2,0	2,1	44,7	195
Купить АИР200L6	30	980	91,5	0,84	7,0	2,0	2,1	59,3	225
Купить АИР200M8	18,5	730	90,0	0,76	6,6	1,9	2,0	41,1	210
Купить АИР200L8	22	730	90,5	0,78	6,6	1,9	2,0	48,9	225
Купить АИР225M2	55	2970	93,0	0,90	7,5	2,0	2,3	100	320
Купить АИР225M4	55	1480	93,0	0,87	7,2	2,2	2,3	103	325
Купить АИР225M6	37	980	92,0	0,86	7,0	2,1	2,1	71,0	360
Купить АИР225M8	30	735	91,0	0,79	6,5	1,9	2,0	63	360
Купить АИР250S2	75	2975	93,6	0,90	7,0	2,0	2,3	135	450
Купить АИР250M2	90	2975	93,9	0,91	7,1	2,0	2,3	160	530
Купить АИР250S4	75	1480	93,6	0,88	6,8	2,2	2,3	138,3	450
Купить АИР250M4	90	1480	93,9	0,88	6,8	2,2	2,3	165,5	495
Купить АИР250S6	45	980	92,5	0,86	7,0	2,1	2,0	86,0	465
Купить АИР250M6	55	980	92,8	0,86	7,0	2,1	2,0	104	520
Купить АИР250S8	37	740	91,5	0,79	6,6	1,9	2,0	78	465
Купить АИР250M8	45	740	92,0	0,79	6,6	1,9	2,0	94	520
Купить АИР280S2	110	2975	94,0	0,91	7,1	1,8	2,2	195	650
Купить АИР280M2	132	2975	94,5	0,91	7,1	1,8	2,2	233	700
Купить АИР280S4	110	1480	94,5	0,88	6,9	2,1	2,2	201	650
Купить АИР280M4	132	1480	94,8	0,88	6,9	2,1	2,2	240	700
Купить АИР280S6	75	985	93,5	0,86	6,7	2,0	2,0	142	690
Купить АИР280M6	90	985	93,8	0,86	6,7	2,0	2,0	169	800
Купить АИР280S8	55	740	92,8	0,81	6,6	1,8	2,0	111	690
Купить АИР280M8	75	740	93,5	0,81	6,2	1,8	2,0	150	800
Купить АИР315S2	160	2975	94,6	0,92	7,1	1,8	2,2	279	1170
Купить АИР315M2	200	2975	94,8	0,92	7,1	1,8	2,2	248	1460
Купить АИР315МВ2	250	2975	94,8	0,92	7,1	1,8	2,2	248	1460
Купить АИР315S4	160	1480	94,9	0,89	6,9	2,1	2,2	288	1000
Купить АИР315M4	200	1480	94,9	0,89	6,9	2,1	2,2	360	1200
Купить АИР315S6	110	985	94,0	0,86	6,7	2,0	2,0	207	880
Купить АИР315М(А)6	132	985	94,2	0,87	6,7	2,0	2,0	245	1050
Купить АИР315MВ6	160	985	94,2	0,87	6,7	2,0	2,0	300	1200
Купить АИР315S8	90	740	93,8	0,82	6,4	1,8	2,0	178	880
Купить АИР315М(А)8	110	740	94,0	0,82	6,4	1,8	2,0	217	1050
Купить АИР315MВ8	132	740	94,0	0,82	6,4	1,8	2,0	260	1200
Купить АИР355S2	250	2980	95,5	0,92	6,5	1. 6	2,3	432,3	1700
Купить АИР355M2	315	2980	95,6	0,92	7,1	1,6	2,2	544	1790
Купить АИР355S4	250	1490	95,6	0,90	6,2	1,9	2,9	441	1700
Купить АИР355M4	315	1480	95,6	0,90	6,9	2,1	2,2	556	1860
Купить АИР355MА6	200	990	94,5	0,88	6,7	1,9	2,0	292	1550
Купить АИР355S6	160	990	95,1	0,88	6,3	1,6	2,8	291	1550
Купить АИР355МВ6	250	990	94,9	0,88	6,7	1,9	2,0	454,8	1934
Купить АИР355L6	315	990	94,5	0,88	6,7	1,9	2,0	457	1700
Купить АИР355S8	132	740	94,3	0,82	6,4	1,9	2,7	259,4	1800
Купить АИР355MА8	160	740	93,7	0,82	6,4	1,8	2,0	261	2000
Купить АИР355MВ8	200	740	94,2	0,82	6,4	1,8	2,0	315	2150
Купить АИР355L8	132	740	94,5	0,82	6,4	1,8	2,0	387	2250

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%.

Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013

Новый подход к выполнению проверок электродвигателей с Fluke 438-II соответствует реальным условиям работы

Электродвигатели являются важнейшим элементом многих промышленных процессов, они потребляют до 70 % от общего количества энергии на промышленном предприятии и до 46 % от общего количества производимого электричества в мире. Учитывая то, насколько большую роль электродвигатели играют в промышленных процессах, стоимость простоев, связанных с их неисправностью, может измеряться десятками тысяч долларов в час. Обеспечение эффективной и надежной работы электродвигателей — это одна из наиболее важных задач, которую ежедневно решают технические специалисты и инженеры по обслуживанию.

Эффективное использование электричества — это не просто «полезно». Во многих ситуациях от энергоэффективности зависит, прибыльной или убыточной является компания. Поскольку электродвигатели потребляют на промышленных объектах такое значительное количество энергии, эффективность их использования стала основным фактором, от которого зависит экономия и поддержание рентабельности. Кроме того, желание обеспечить экономию посредством увеличения эффективности и снизить зависимость от природных ресурсов стимулирует многие компании применять такие промышленные стандарты, как ISO 50001. Стандарт ISO 50001 устанавливает основные положения и требования для организации, внедрения и поддержания системы управления энергопотреблением, призванной обеспечить постоянную экономию.

Традиционные методы проверки электродвигателей

Традиционный метод измерения производительности и КПД электродвигателей хорошо проработан, но его внедрение может быть связано с большими расходами, а реализация в рамках технологических процессов трудноосуществима. Для проверки производительности электродвигателя часто требуется полное отключение системы, что может привести к дорогостоящему простою. Чтобы измерить КПД электродвигателя, необходимо определить входную электрическую и выходную механическую мощности в широком динамическом диапазоне рабочих параметров. При измерении производительности электродвигателя традиционным методом техническим специалистам вначале необходимо установить электродвигатель на испытательный стенд. Испытательный стенд представляет собой проверяемый электродвигатель, закрепленный на генераторе или на динамометре. Затем вал тестируемого электродвигателя соединяется с нагрузкой. На валу закреплен датчик скорости (тахометр), а также комплект датчиков крутящего момента, на основании показаний которых выполняется расчет механической мощности. Система предоставляет различные параметры, в том числе скорость, крутящий момент и механическую мощность. Некоторые системы также позволяют измерить электрическую мощность и затем рассчитать КПД.

КПД вычисляется по формуле:

η (КПД) = Механическая мощность / Электрическая мощность

Во время проверки изменяются параметры нагрузки, что позволяет определять КПД для различных режимов работы.

Система испытательного стенда может показаться достаточно простой, однако с ее использованием связано несколько характерных недостатков:

Электродвигатель необходимо демонтировать с места установки.
Значения нагрузки электродвигателя не являются по-настоящему репрезентативными, поскольку не характеризуют параметры электродвигателя при эксплуатации.
Во время проведения проверки необходимо приостановить работу, что создает простой, либо взамен тестируемого необходимо временно установить другой электродвигатель.
Датчики крутящего момента отличаются высокой стоимостью и ограниченным рабочим диапазоном, поэтому для проверки различных электродвигателей может потребоваться несколько датчиков.
Испытательный стенд для тестирования широкого диапазона электродвигателей имеет высокую стоимость. Такие испытательные стенды обычно используются специалистами по ремонту электродвигателей или исследовательскими организациями.
Не учитываются «реальные» рабочие условия.

Параметры электродвигателей

Электродвигатели могут предназначаться для различных областей применения и нагрузок, поэтому характеристики каждого электродвигателя отличаются. Классификация характеристик осуществляется в соответствии со стандартами NEMA (Национальной ассоциации производителей электрооборудования) или IEC (Международной электротехнической комиссии). От этих характеристик напрямую зависят работа и КПД электродвигателя. На каждом электродвигателе закреплена паспортная табличка, на которой указаны основные рабочие параметры и информация о КПД электродвигателя в соответствии с рекомендациями NEMA или IEC. Указанные на паспортной табличке данные можно сравнивать с реальными характеристиками режима эксплуатации. Например, сравнивая эти значения, можно узнать, что электродвигатель превышает ожидаемые характеристики по скорости или крутящему моменту, что может привести к сокращению срока службы электродвигателя или к преждевременному выходу из строя. Снижение эксплуатационных характеристик электродвигателя могут также вызвать асимметрия напряжения или тока, а также гармоники, связанные с плохим качеством электроэнергии. При существовании какого-либо из этих условий необходимо «понизить номинальные параметры» электродвигателя, то есть облегчить режим его работы, что может привести к нарушению технологических процессов при недостаточной механической мощности. Понижение номинальных параметров рассчитывается по стандарту NEMA в соответствии с данными, указанными для данного типа электродвигателя. Стандарты NEMA и IEC несколько отличаются друг от друга, но в целом они придерживаются одинаковых положений.

Фактические условия эксплуатации

Тестируемые на стенде электродвигатели обычно работают в наиболее комфортных условиях. Во время реальной работы эти комфортные условия, как правило, обеспечить не удается. Непостоянство рабочих условий приводит к снижению производительности электродвигателя. Например, на промышленном предприятии могут быть нагрузки, оказывающие непосредственное влияние на качество электроэнергии и вызывающие асимметрию в системе или способные привести к появлению гармоник. Каждое из этих условий может серьезно повлиять на производительность электродвигателя. Кроме того, нагрузка, приводимая в движение электродвигателем, может быть неоптимальной или может не соответствовать изначальному предназначению электродвигателя. Нагрузка может быть слишком большой для данного электродвигателя, или возможна перегрузка вследствие плохого управления технологическими процессами или чрезмерного трения, вызванного наличием какого-либо постороннего предмета, блокирующего работу насоса или рабочего колеса вентилятора. Обнаружение этих аномалий может быть затруднено и потребовать много времени, вследствие чего эффективный поиск неисправностей становится проблематичным.

Новый подход

Анализатор качества электроэнергии и параметров электродвигателя Fluke 438-II обеспечивает модернизированный и экономичный способ проверки КПД электродвигателя, при этом нет необходимости в установке внешних механических датчиков и отсутствуют дорогостоящие простои. Прибор Fluke 438-II, созданный на основе анализаторов качества электроэнергии Fluke серии 430-II, оснащен полным набором функций для измерения параметров качества электроэнергии, а также механических параметров при прямом пуске электродвигателей от сети. 438-II на основе данных паспортной таблички электродвигателя (NEMA или IEC) и измеренных параметров трехфазного электропитания рассчитывает в реальном времени параметры электродвигателя, включая скорость, крутящий момент, механическую мощность и КПД, при этом использование дополнительных датчиков крутящего момента и скорости не требуется. Кроме того, 438-II непосредственно вычисляет коэффициент снижения мощности электродвигателя в режиме работы. Для выполнения этих измерений технический специалист или инженер должен ввести в прибор Fluke 438-II следующие данные: номинальную мощность в кВт или л.с., номинальное напряжение и силу тока, номинальную частоту, номинальный cos φ или коэффициент мощности, номинальный сервис-фактор, а также тип электродвигателя в соответствии с классификацией NEMA или IEC.

Принцип работы

Fluke 438-II выполняет механические измерения параметров (частоты вращения электродвигателя, нагрузки, крутящего момента и КПД) с помощью уникальных алгоритмов анализа формы электрических сигналов. Эти алгоритмы основаны на сочетании физических и управляемых данными моделей асинхронного электродвигателя. При этом не требуется выполнение предварительных проверок, которые обычно необходимы для измерения параметров электродвигателя, например, сопротивления статора. Скорость электродвигателя можно рассчитать на основе зубцовых гармоник ротора, присутствующих в сигналах тока. Крутящий момент на валу электродвигателя можно описать с помощью значений напряжения, силы тока и скольжения асинхронного электродвигателя, используя хорошо известные, но сложные физические формулы. Электрическая мощность измеряется с помощью осциллограмм входного тока и напряжения. При получении расчетных значений крутящего момента и скорости механическая мощность (или нагрузка) вычисляется из произведения крутящего момента на скорость. КПД электродвигателя вычисляется путем деления рассчитанной механической мощности на измеренную электрическую мощность. Компания Fluke провела обширные испытания на тестируемых электродвигателях, приводящих в движение динамометры. Для определения погрешности измеренные значения фактической электрической мощности, крутящего момента на валу электродвигателя, а также скорости сравнивались с показаниями прибора 438-II.

Заключение

Традиционные методы измерения параметров и КПД электродвигателей тщательно проработаны, но не всегда широко используются. В значительной степени это объясняется тем, что для выполнения проверок требуется отключение электродвигателей, а иногда и целых систем, приводящее к большой стоимости простоя производства. Прибор Fluke 438-II предоставляет чрезвычайно полезную информацию, которая ранее была труднодоступной и дорогостоящей. Кроме того, наличие на приборе Fluke 438-II передовых функций по анализу качества электроэнергии позволяет измерять качество электроэнергии в реальном режиме работы системы. Измерение важных параметров для определения КПД электродвигателя стало проще, поскольку не требуется использование отдельных внешних датчиков крутящего момента и скорости, благодаря чему можно анализировать производительность самых распространенных промышленных процессов с электроприводом, не прерывая их выполнения. Это позволяет техническим специалистам сократить время простоя, а также отслеживать изменения параметров электродвигателя во времени и получить более полную картину общего состояния системы и ее характеристик. Отслеживание графиков параметров позволяет увидеть изменения, которые могут быть признаком надвигающегося отказа электродвигателя, и заменить его до выхода из строя.

Методика оценочного расчета удельного расхода топлива двухконтурного турбореактивного двигателя | Кузнецов

Определение предельно достижимого уровня технического совершенства для двигателя с выбранной конструктивной схемой на начальном этапе проектирования позволяет заранее оценить его конкурентоспособность по сравнению с аналогами. Для оценки уровня технического совершенства силовой установки летательного аппарата (ЛА) используются два параметра: удельный расход топлива C_R и удельный вес двигателя γ_дв [1]. Определение удельных параметров проектируемого двигателя начинается с термодинамического расчета «исходного» режима работы. При этом КПД основных узлов и уровень потерь по газовоздушному тракту двигателя задаются из предшествующего опыта проектирования (данные аналогов или предшествующих модификаций) или определяются в ходе отдельных расчетов компрессора, турбины и камеры сгорания. Прямая аналитическая взаимосвязь параметров термодинамического цикла и КПД основных узлов для конкретного двигателя невозможна. Поэтому процесс выбора термодинамических параметров, таких как температура газа в камере сгорания Т_г*, суммарнаястепень сжатия π_Σ*, степень двухконтурности y и последующий анализ зависимостей C_R = f(Т_г*, π_Σ*, y,…), выполняется при постоянных значениях потерь и КПД узлов.

При определении предельно возможного технического уровня двигателя связь между параметрами Т_г*, π_Σ*, y и максимально возможным КПД узлов может быть установлена.
Основой метода является использование зависимостей максимально возможного политропного КПД ступени компрессора или турбины от величины нагрузки на ступень, предварительно полученных на основе статистических данных. Далее выполняется расчет адиабатического КПД всего компрессора η_к* или турбины η_т* с использованием параметров термодинамического цикла. Подробно метод расчета максимально возможного КПД основных узлов двигателя изложен в [2].

Для рассматриваемой методики расчета установлены следующие допущения и ограничения:

процесс в двигателе рассматривается как термодинамически равновесный и адиабатический;
приняты постоянные гидравлические потери по газовоздушному тракту;
принято равномерное распределение нагрузки (напорности) между ступенями компрессора;
область применения методики ограничивается малоразмерными ТРДД, которые устанавливаются в основном на беспилотные летательные аппараты.

Исходными данными для определения максимально возможного η_к* осевого компрессора являются следующие параметры: приведенный расход воздуха G_{ВПР 0}, полная температура на входе в компрессор Т_вх, а также степень повышения полного давления в компрессоре π_к* и выбранное количество ступеней компрессора z. В начале расчета определяется величина нагрузки на одну ступень Δi*_ст0 и степень повышения давления в ступени π*_ст0 в первом приближении с использованием равенств:

где Δi_к*_ад, ккал/кг — адиабатическое изменение энтальпии за компрессором, определяемое с помощью термодинамических функций по величинам π_к* и Т_вх*; Δi_ад* _ст, кДж/кг — адиабатическое изменение энтальпии ступени. Зависимость для максимально возможного КПД осевой ступени компрессора от изменения энтальпии Δi_ст* представлена на рисунке 1.

Для каждой ступени компрессора с порядковым номером s может быть определена напорность Δi_ст*(s) и максимальный политропный КПД (s):

Здесь k_α — поправка на потери напорно- сти в ступенях, а k_н(s) — коэффициент, определяющий изменение напорности по ступеням. Для малоразмерных ТРДД число осевых ступеней в компрессоре обычно не более 2. В этом случае, в отличие от многоступенчатых компрессоров с заданным распределением напор- ности, можно принять k_н(1) = k_н(2) = 1.

Политропный КПД с учетом поправки на размерность ступени определяется уравнениями:

где G_ВПР(s), кг/с — приведенный расход воздуха на входе в ступень s, Δη_пол* — поправка на полит- ропный КПД, определяемая по графической зависимости, представленной на рисунке 2. Графические зависимости для и Δη_пол* представленные на рисунках 1 и 2, получены путем обработки статистических экспериментальных данных по осевым и центробежным ступеням компрессоров на основе данных, заимствованных из [1, 3, 4].

Адиабатический КПД ступени

Параметры воздуха на выходе из ступени:

где i*_вх(s), S*_вх(s) — энтальпия и энтропия воздуха на входе в ступень; Δi_ст*_ад(s) — адиабатический напор ступени; i_ст*_ад(s), T*_ст*_ад(s), S*_ст*_ад(s) — энтальпия, температура и энтропия воздуха на выходе из ступени, рассчитанные с помощью термодинамических функций.

Общие параметры осевого компрессора определяются по соотношениям:

Совместное решение уравнений (1)-(11) позволяет определить адиабатический КПД, напорность каждой ступени компрессора и общий КПД компрессора.

Аналогичным образом, на основе приведенных выше зависимостей, может быть составлена методика расчета для компрессора, состоящего из нескольких центробежных или диагональных ступеней. В большинстве современных малоразмерных ТРДД применяется одиночная центробежная ступень. Для центробежной ступени следует использовать зависимость , представленную на рисунке 1. Дополнительными исходными данными для расчета являются приведенный расход воздуха G_{в прц} и температура торможения Т_вх* на входе в ступень. Для одноступенчатого центробежного компрессора G_{в прц} = G_{в прц0}, Т_вх * — задано. Для замыкающей ступени осецентробежного компрессора G_{в прц} = G_{в пр}(z), Т_вх*= Т_ст*(z). При этом расчет адиабатического КПД ступени существенно упрощается:

Изменение энтальпии и параметры воздуха на выходе из центробежной ступени:

где i*_вх, S*_вх — энтальпия и энтропия воздуха на входе в ступень, определяемые по Т_вх*; Δi_ц*_ад — адиабатический напор ступени; i_{ц ад}, T_ц*_ад, S_ц*_ад — энтальпия, температура и энтропия воздуха на выходе из центробежной ступени.

Для одноступенчатого центробежного компрессора параметры ступени одновременно являются параметрами компрессора. Общие параметры осецентробежного компрессора определяются с учетом параметров осевой части:

Методика определения максимально возможного адиабатического КПД для турбины компрессора составлена с учетом отбора воздуха на охлаждение соплового аппарата (СА) и рабочего колеса (РК) для одной или нескольких ступеней. В качестве исходных данных используются следующие параметры из расчета исходного режима: изменение энтальпии в компрессоре Δi_к*, приведенный расход воздуха G_{в пр0}, температура торможения Т*_г и полное давление Р_г* газа на входе в турбину, энтальпия воздуха за компрессором i_к*, относительный расход топлива в камере сгорания q_т _кс = G_т / (3600 · G_{в кс}). Зависимости для определения механического КПД η_mK = f(G_{в пр0}) на валу турбины компрессора с учетом привода агрегатов и зависимость для определения относительной величины отбора воздуха Δ _{охл ст}(s) = f (Т_вх*) на охлаждение одной ступени турбины приведены в [2]. Относительный отбор воздуха на охлаждение диска корпуса и дисков турбины Δ _охл_к = 0,005…0,01.

Коэффициенты расхода воздуха и газа на входе в турбину компрессора:

Величины μ_в, μ_г, Δ _охл_Σ в начале расчета задаются в первом приближении.

Для определения изменения энтальпии газа в турбине компрессора Δi*_тк и в отдельной ступени Δi*_стпри заданном числе ступеней z (в соответствии с вариантом схемы на рис. 5) используются соотношения:

В сечениях за CA и РК турбины для каждой ступени s выполняется пересчет коэффициентов расхода с использованием соотношений:

Здесь j — 1 обозначает сечение на входе в CA или РК; j — сечение на выходе из CA или РК; ψ_са, ψ_ρκ — долевой коэффициент относительного расхода воздуха, расходуемого на охлаждение соответственно CA и РК.

Термодинамические параметры на выходе из CA определяются с помощью термодинамических функций:

где i_вх*'(s), Т_вх*'(s), S_вх*'(s) — соответственно энтальпия, полная температура и энтропия газа за CA, т.е. на входе в РК; а c_p, R_r, к_г — соответственно теплоемкость, газовая постоянная и показатель адиабаты этого же газа.

Политропный КПД ступени η*_пол(s) определяется с использованием зависимостей:

Δη*_пол = f(А_ст), если А_ст ≤ 40, Δη*_пол = 0, если А_ст > 40.

Здесь η*^max_пол — максимально возможный политропный КПД, определяемый по зависимости, представленной на рисунке 3, Δη*_пол — поправка на политропный КПД ступени в зависимости от величины пропускной способности А_ст, определяемая по зависимости на рисунке 4, P*_вх(S) — полное давление газа на входе в рабочее колесо ступени. Зависимости для η*^max_пол получены при обработке статистических данных, взятых из [3]. Зависимость для η*_пол заимствована из работы [4].

Рис. 3. Максимально возможный политропный КПД ступени турбины компрессора

Рис. 4. Поправка на политропный КПД ступени турбины

Aдиабатические параметры за РК и адиабатический КПД ступени η*_ад(s) определяются с использованием уравнений:

где i*_{ст ад}(s), T*_{ст ад}(s), S*_{ст ад}(s) — соответственно адиабатическая энтальпия, полная температура и энтропия газа на входе из РК, определяемые с помощью термодинамических функций; Δi*_{ст ад}(s) — адиабатический перепад на РК ступени; π*_ст(s) — степень понижения полного давления в РК.

Энтальпия газа на выходе из ступени определяется по теплоперепаду в РК и величине расхода охлаждающего воздуха

где i*_ст(s)- энтальпия газа на выходе из РК.

Рис. 5. Охемы ТРДД: а) первая конструктивная схема, б) вторая конструктивная схема 1 — вентилятор (вар. а), двухступенчатый вентилятор (вар. б), 2 — осевая ступень компрессора ВД (вар. а), двухступенчатая подпорная осевая ступень (вар. б), 3 — центробежная ступень компрессора ВД, 4 — камера сгорания, 5 — турбина ВД, 6 — турбина НД (вар. а), двухступенчатая турбина НД (вар. б), 7 — сопло второго контура, 8 — сопло первого контура, CA — сечение на выходе из соплового аппарата, РК — сечение на выходе из рабочего колеса

Полная температура и давление газа на выходе из ступени турбины:

T_ст*(s) = f (q_т(j), i_ст*(s), P_ст*(s) = P_вх*(s) / π_ст*(s) . (32)

Поскольку для многоступенчатой турбины имеют место равенства i*_вх(s + 1) = i_ст*(s) и P_вх*(s + 1) = P_ст*(s), приведенные выше уравнения позволяют выполнить расчет основных параметров для каждой из z ступеней турбины при их совместном решении.

Далее определяются общие параметры турбины компрессора — степень понижения полного давления в турбине π*_тк и адиабатический КПД η*_тк:

Турбина низкого давления, связанная вентилятором, рассчитывается аналогичным образом, при этом для определения величин η*^max_пол и Δη*_пол используются зависимости на рисунках 3, 4. В случае если температура на входе в турбину или ступень T*_вх(s) < 1200 К, принимается Δ_охлс(s) = 0.

Предложенные процедуры расчета адиабатического КПД компрессора и турбины используются в данном случае как составные части термодинамического расчета исходного режима двигателя, выполненные в виде отдельных подпрограмм.

Остальные параметры, характеризующие потери по газовоздушному тракту и полноту сгорания топлива в камере, имеют, как правило, узкие интервалы возможных значений. Их количество и численные значения определяются типом двигателя (ТРД, ТРДД и др.), могут быть заимствованы из [5, 7]. При определении предельно достижимого уровня технического совершенства двигателя с минимально возможным C_R параметры, характеризующие потери по газовоздушному тракту, могут быть заданы в виде постоянных величин. Методика термодинамического расчета исходного режима является общеизвестной, поэтому она исключается из рассмотрения. Для расчета термодинамических функций воздуха и газа в диапазоне температур от минус 50 до 1500 °С используются данные [6], для температур свыше 1500 °С — аппроксимирующие зависимости по стандарту NASA sp-273.

Для апробации разработанной методики были выполнены расчеты минимально возможных C_R применительно к малоразмерным ТРДД. Расчеты выполнены для стандартных атмосферных условий на входе в двигатель Н = 0, М = 0, T_H = 288,15 К. Диапазон варьируемых основных параметров термодинамического цикла выбран исходя из статистических данных для ТРДД производства Teledyne CAE, Williams International [8]: π_Σ* = 10-13,8, Т_г* = 1150-1400 К, у = 1. Во всех случаях приведенный расход воздуха через первый контур был задан равным С_{ВПР 0} = 2,5 кг/с. Исходя из постановки задачи, вместо значений тяги двигателя для всех вариантов рассчитана величина усредненной удельной тяги двигателя I = (R_уд1 + R_уд2 · y)/ (1 + У), где R_уд1 R_уд₂ — удельная тяга сопел первого и второго контура соответственно.

Результаты вариативных расчетов исходного режима ТРДД с максимально возможными КПД узлов представлены на рисунках 6, 7. На рисунке 6 представлены расчетные зависимости C_R = (Т_г*, π_Σ*, I) для первой конструктивной схемы ТРДД с одноступенчатым вентилятором, компрессором высокого давления (ВД), состоящим из осевой и центробежной ступени, кольцевой прямоточной камерой сгорания, одноступенчатой турбиной высокого и низкого давления (НД). Первая схема представлена на рисунке 5 а. Нанесенные линии представляют собой результаты расчетов множества вариантов исходного режима ТРДД при выбранных постоянных величинах термодинамического цикла Т_г* = const или π_Σ* = const. Каждая точка диаграммы представляет собой минимально возможное значение C_r, достижимое при заданных T_г* , π_Σ*, у и внешних условиях.

Аналогичные зависимости по C_R представлены на рисунке 7 для второй схемы ТРДД с двухступенчатым вентилятором, двумя подпорными ступенями каскада НД, компрессором ВД, состоящим из центробежной ступени, кольцевой прямоточной камерой сгорания, одноступенчатой турбиной ВД и двухступенчатой турбиной НД. Вторая схема представлена на рисунке 5б. Дополнительно на рисунке 7 нанесены данные по двигателям семейства малоразмерных ТРДД WR-19 компании Williams International и расчетные данные этих двигателей, полученные при тех же параметрах термодинамического цикла с максимально возможными величинами КПД ступеней компрессоров и турбин (точки отмечены одинаковыми маркерами). Анализ представленных данных показывает возможность снижения C_R для данных двигателей на 7-10 % при увеличении политропного КПД составляющих ступеней до максимально возможного современного уровня (данные на рис. 1, 3). Необходимо учесть, что линия совместной работы в поле характеристик компрессора, с учетом обеспечения достаточного уровня запасов газодинамической устойчивости, может быть смещена в область, где КПД на 1-2 % ниже линии максимальных значений. Поэтому максимальный потенциал снижения C_r для окончательно спроектированного и изготовленного двигателя в данном случае следует уменьшить до 5-8 %.

Из опыта проектирования известно, что при модернизации существующего двигателя без существенных изменений газовоздушного тракта технические риски успешного завершения ОКР считаются минимальными. Однако заказчик может поставить перед разработчиком ТРДД задачу снизить удельный расход топлива на величину δC_R > 7-10 % с условием сохранения параметров термоди-намического цикла y, T_г*, π*_Σ и неизменными габаритно-массовыми характеристиками. В рассмотренном случае задача будет практически не выполнимой, так как существующие методы проектирования и технологические возможности производства не позволят достичь требуемого уровня политропного КПД компрессора и турбины. Потребуются длительные НИР по улучшению характеристик основных узлов двигателя. Таким образом, результаты расчета по данной методике могут быть важным дополнительным критерием оценки задаваемых в ТЗ требований по экономичности ТРДД при выполнении поисковых НИР для перспективных ЛА.

Методика может также использоваться для сравнения ТРДД различных схем и с различными параметрами термодинамического цикла. Зависимости, показанные на рисунках 6 и 7, могут быть представлены в виде области с ограничивающими линиями для фиксированного диапазона значений T_г*, π*_Σ. В этом случае наложение двух таких областей, полученных для ТРДД первой и второй схемы с одинаковыми диапазонами значений T_г*, π*_Σ, у, позволяет наглядно их сопоставить по минимально достижимым значениям C_r, как показано на рисунке 8.

Может быть выполнен также количественный анализ. Например переход от первой ко второй схеме ТРДД (см. рис. 8) при одинаковых значениях Т_г* = 1300 К, π_Σ* = 12,25, у = 1 позволяет снизить удельный расход топлива на величину δC_R = -1,2 % с одновременным увеличением суммарного удельного импульса δΐ = 1,0 %. Снижение C_r связано в основном с увеличением КПД турбины НД при переходе от одноступенчатой к двухступенчатой схеме.

Другим примером может быть сравнение ТРДД одной схемы (первая схема), но с различной степенью двухконтурности у, представленное на рисунке 9. Увеличение степени двухконтурности на 35 % при одинаковых значениях Т_г* = 1300 К, π_Σ* = 12,25 позволяет снизить минимально достижимый уровень удельного расхода топлива на величину δC_R = -6,8 %. Однако данное снижение величины C_r сопровождается значительным снижением суммарного удельного импульса δI = -8,6 %.

Такое изменение оправдано в случае оптимизации двигателя на крейсерский режим работы при снижении числа М полета. Примером использования ТРДД с увеличенной степенью двухконтурности можно считать JT15D-5C с у = 2 производства Pratt&Whitney, устанавливаемый на БПЛA “Barracuda” и X-47A. В обоих случаях можно заранее оценить, насколько потенциал снижения δC_r оправдывает затраты, необходимые на проведение ОКР по разработке двигателя новой конструктивной схемы.

Преимуществом разработанной методики, в сравнении с традиционным термодинамическим расчетом исходного режима, является возможность выполнять расчет минимально достижимых значений C_r двигателя с учетом взаимосвязи между изменением основных параметров термодинамического цикла π*_Σ и T*_г , изменением КПД узлов и величины отбираемого на охлаждение воздуха. Методика позволяет выполнить оценку имеющегося потенциала улучшения экономичности существующего ТРДД, ограниченного достигнутыми техническими характеристиками основных узлов. Для двигателя новой конструктивной схемы на начальном этапе проектирования можно выявить наличие или отсутствие преимущества по величине минимально возможного удельного расхода топлива с двигателями-аналогами в ожидаемых условиях эксплуатации.

Новый подход к контролю соответствует реальным условиям работы

Эффективное использование электричества — это не просто «полезно». Во многих ситуациях от энергоэффективности зависит, прибыльной или убыточной является компания. Поскольку электродвигатели потребляют на промышленных объектах столь значительное количество энергии, эффективность их использования стала основным фактором, от которого зависит экономия и поддержание прибыльности. Кроме того, из-за желания обеспечить экономию посредством увеличения эффективности и снизить зависимость от природных ресурсов многие компании начинают следовать промышленным стандартам, таким как ИСО 50001. Стандарт ИСО 50001 устанавливает основные положения и требования для организации, внедрения и поддержания системы управления энергопотреблением, призванной обеспечить постоянную экономию.

Традиционные методы проверки электродвигателей

Традиционный метод проверки производительности и КПД электродвигателей тщательно разработан, но его организация может быть связана с большими расходами, а реализация в рамках рабочих процессов трудноосуществима. Часто для проверки производительности электродвигателя требуется даже полное отключение системы, что может привести к дорогостоящему простою. Чтобы определить КПД электродвигателя, необходимо измерить широкий диапазон динамических рабочих параметров — как для входной электрической мощности, так и для выходной механической мощности. Для измерения характеристик производительности электродвигателя традиционным методом сначала техническим специалистам необходимо установить электродвигатель на испытательный стенд. Испытательный стенд представляет собой проверяемый электродвигатель, закрепленный на генераторе или на динамометре.

Затем с помощью вала проверяемый электродвигатель соединяют с нагрузкой. На валу закреплен датчик скорости (тахометр), а также комплект датчиков крутящего момента, которые предоставляют данные, позволяющие рассчитывать механическую мощность. Система предоставляет различные данные, включая данные о скорости, крутящем моменте и механической мощности. Некоторые системы также позволяют измерять электрическую мощность, благодаря чему можно рассчитать КПД.

КПД вычисляется по формуле:

Механическая мощность
Электрическая мощность

Во время проверки нагрузка изменяется, что позволяет определять КПД для различных режимов работы. Система испытательного стенда может показаться достаточно простой, однако с ее использованием связано несколько характерных недостатков:

Электродвигатель необходимо снять с места использования.
Значения нагрузки электродвигателя не являются по-настоящему репрезентативными, поскольку не характеризуют производительность электродвигателя во время реальной работы.
Во время проведения проверки работу необходимо приостановить (что создает простой), либо необходимо временно установить сменный электродвигатель.
Датчики крутящего момента отличаются высокой стоимостью и ограниченным рабочим диапазоном, поэтому для проверки различных электродвигателей может потребоваться несколько датчиков.
Испытательный стенд, на котором можно проверять широкий диапазон электродвигателей, имеет высокую стоимость. Такие испытательные стенды обычно используются специалистами по ремонту электродвигателей или исследовательскими организациями.
Не учитываются «реальные» рабочие условия.

Параметры электродвигателей

Электродвигатели могут предназначаться для различных областей применения с различными нагрузками, поэтому характеристики каждого электродвигателя отличаются. Классификация характеристик осуществляется в соответствии со стандартами Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) или Международной электротехнической комиссии (МЭК). От этих характеристик напрямую зависит работа и КПД электродвигателя. На каждом электродвигателе закреплена паспортная табличка, на которой указаны основные рабочие параметры и информация о КПД электродвигателя в соответствии с рекомендациями NEMA или МЭК. Указанные на паспортной табличке данные можно сравнивать с реальными характеристиками режима использования. Например, сравнивая эти значения, можно узнать, что электродвигатель превышает ожидаемые характеристики скорости или крутящего момента, что может привести к сокращению срока службы электродвигателя или к преждевременному выходу из строя. Негативно сказаться на характеристиках производительности электродвигателя могут также такие явления, как асимметрия напряжения или тока, а также гармоники, связанные с плохим качеством электроэнергии. При существовании какого-либо из этих условий необходимо снизить номинал электродвигателя (то есть ожидаемая производительность электродвигателя должна быть снижена), что может привести к нарушению выполняемых процессов, если не будет производиться достаточное количество механической мощности. Снижение номинала рассчитывается по стандарту NEMA в соответствии с данными, указанными для данного типа электродвигателя. Стандарты NEMA и МЭК некоторым образом отличаются друг от друга, но в целом они придерживаются одинаковых положений.

«Реальные» рабочие условия

При выполнении проверки электродвигателей на стенде электродвигатель обычно работает в самых лучших условиях. Однако во время реальной работы самые лучшие условия, как правило, не удается обеспечить. Непостоянство рабочих условий приводит к снижению производительности электродвигателя. Например, на промышленном предприятии могут быть нагрузки, оказывающие непосредственное влияние на качество электроэнергии и вызывающие асимметрию в системе или потенциально вызывающие гармоники. Каждое из этих условий может серьезно повлиять на производительность электродвигателя. Кроме того, нагрузка, приводимая в движение электродвигателем, может быть неоптимальной или может не соответствовать изначальному предназначению электродвигателя. Нагрузка может быть слишком большой для данного электродвигателя, или возможна перегрузка вследствие плохого управления процессами. Движению электродвигателя может также препятствовать чрезмерное трение, вызванное наличием какого-либо постороннего предмета, блокирующего работу насоса или рабочего колеса вентилятора. Обнаружение этих аномалий может быть затруднено и может потребовать много времени, вследствие чего эффективный поиск неисправностей будет проблематичным.

Новый подход

Анализатор качества электроэнергии и работы электродвигателей Fluke 438-II обеспечивает модернизированный и экономичный способ проверки КПД электродвигателя, при этом отсутствует необходимость в установке внешних механических датчиков и в дорогостоящих простоях. Прибор Fluke 438-II, созданный на основе анализаторов качества электроэнергии Fluke серии 430-II, оснащен полным набором функций для анализа качества электроэнергии, а также для измерения механических параметров на электродвигателях прямого пуска. 438-II использует данные, указанные на паспортной табличке электродвигателя (NEMA или МЭК) вместе с данными измерений трехфазного питания, чтобы в режиме реального времени рассчитывать параметры производительности электродвигателя, включая скорость, крутящий момент, механическую мощность и КПД, при этом использование дополнительных датчиков крутящего момента и частоты вращения не требуется. Кроме того, 438-II непосредственно вычисляет коэффициент снижения мощности электродвигателя в режиме работы.

Чтобы прибор Fluke 438-II выполнил эти измерения, технический специалист или инженер должен ввести следующие данные: номинальную мощность в кВт или л. с., номинальное напряжение и силу тока, номинальную частоту, номинальный cos φ или коэффициент мощности, номинальный сервис-фактор, а также тип электродвигателя в соответствии с классификацией NEMA или МЭК.

Принцип работы

Fluke 438-II выполняет механические измерения параметров (скорости вращения электродвигателя, нагрузки, крутящего момента и КПД), применяя уникальные алгоритмы к электрическим сигналам. Эти алгоритмы основаны на сочетании физических и управляемых данными моделей асинхронного электродвигателя. При этом не требуются предварительные проверки, которые обычно нужны для измерения параметров электродвигателя (например, сопротивление статора). Скорость электродвигателя можно рассчитать на основе гармоник пазов ротора, присутствующих в сигналах тока. Крутящий момент вала электродвигателя можно связать со значениями напряжения, силы тока и скольжения асинхронного электродвигателя, используя хорошо известные, но сложные физические формулы. Электрическая мощность измеряется с использованием входных сигналов силы тока и напряжения. При получении расчетного значения крутящего момента и скорости, механическая мощность (или нагрузка) вычисляется на основе крутящего момента, умноженного на частоту вращения. КПД электродвигателя вычисляется путем деления рассчитанной механической мощности на измеренную электрическую мощность. Компания Fluke провела обширные испытания на электродвигателях, приводящих в движение динамометры. Были измерены значения фактической электрической мощности, крутящего момента вала электродвигателя, а также скорости электродвигателя. Эти значения сравнивались со значениями, полученными с прибора 438-II для определения погрешности.

Сводный обзор

Традиционные методы проверки производительности и КПД электродвигателей тщательно разработаны, однако это не означает, что они широко используются. В значительной степени это объясняется тем, что отключение электродвигателей, а иногда и целых систем, для выполнения проверок приводит к простою производства, а это связано с большими расходами. Прибор Fluke 438-II предоставляет чрезвычайно полезную информацию, которую до этого было крайне сложно и дорого получить. Кроме того, наличие на приборе Fluke 438-II передовых функций по анализу качества электроэнергии позволяет измерять качество электроэнергии непосредственно во время работы системы. Выполнение важных измерений для определения КПД электродвигателя стало проще, поскольку использование отдельных внешних датчиков крутящего момента и скорости не требуется, благодаря чему можно анализировать производительность самых распространенных промышленных процессов, использующих электродвигатель, не прерывая их выполнения. Это позволяет техническим специалистам сокращать время простоя и отслеживать тенденции производительности электродвигателя во времени, благодаря чему можно получить более полную картину общего состояния системы и ее производительности. Отслеживание тенденций производительности позволяет увидеть изменения, которые могут указывать на приближающийся отказ электродвигателя. Благодаря этой информации можно выполнить замену до того, как электродвигатель выйдет из строя.

Механический коэффициент полезного действия

Механический коэффициент полезного действия, равный отношению среднего эффективного давления к среднему индикаторному, оценивает механические потери в двигателе:

Механический к. п. д. можно выразить и через мощности двигателя:

Таким образом, механический к. п. д. показывает в долях единицы или в процентах ту часть индикаторной мощности, которая передается на фланец коленчатого вала.

Анализ механических потерь в двигателе, выполненный нами ранее, позволяет сделать заключение, что значение механического к. п. д. двигателя зависит: от степени быстроходности двигателя, от величины давления газов цикла и динамики его изменения, от качества изготовления и сборки деталей двигателя, от качества смазочного масла, от теплового состояния двигателя и режима загрузки его, от мощности навешенных вспомогательных механизмов и от сопротивлений во впускной и выпускной системах двигателя.

При прочих равных условиях механический к. п. д. двигателя является функцией отношения среднего эффективного давления к максимальному давлению цикла; чем больше это отношение, тем выше механический к. п. д.

При уменьшении нагрузки на двигатель (сохраняя при этом число оборотов вала неизменным) мощность механических потерь N_mex примерно остается постоянной, а потому относительное ее значение возрастает и механический к. п. д. падает.

На рис. 105 приведены кривые изменения механического к. п. д. ?_т при полной нагрузке (сплошные кривые) и при 30 % нагрузки (пунктирные кривые) двигателя с воспламенением от сжатия (кривая В; ? = 16) и двигателя с воспламенением от искры (кривая А; ? = 6). Данные кривые показывают, что при уменьшении нагрузки на двигатель при неизменном числе оборотов ?_т значительно падает. Следует заметить, что при холостом ходе двигателя N_e== 0) из формулы (139а)

Таким образом, режим работы холостого хода можно охарактеризовать как режим, при котором механический к. п. д. равен нулю.

При одном и том же р_е (как это видно из рис. 105) с увеличением числа оборотов двигателя (скоростная характеристика) ?_т падает, что объясняется более интенсивным относительным ростом мощности механических потерь N_мех, чем эффективной мощности двигателя.

При работе двигателя с наддувом значение ?_т изменяется в зависимости от системы и степени наддува. Если двигатель переводится на работу с газотурбинным наддувом, то, как показывают опытные данные, мощность механических потерь N_мех при этом остается неизменной. Обозначим отношение ?_н = p_?_н / p_?, (степень наддува), где р_а — давление в цилиндре в начале сжатия без наддува, а р_?н—с наддувом. Можно принять, что отношение N_in/ N_iтакже равно ?_н, где N_in — индикаторная мощность двигателя с наддувом, а N_i — без наддува.

Если двигатель имел до наддува механический к. п. д. т. ?_m, то при газотурбинном наддуве он будет иметь:

Полученная формула показывает, что с повышением степени наддува при газотурбинном наддуве механический к. п. д. двигателя возрастает.

В том случае, когда газотурбонагнетатель кинематически связан с валом самого двигателя, отношение ?_К = N_к/ N_i может быть больше, меньше или равно отношению ?_T = N_T/ N_i в зависимости от степени использования энергии отработавших газов двигателя. Здесь N_к — мощность, потребляемая наддувочным компрессором, а N_T —мощность, развиваемая турбиной.

В этом случае, т. е. когда газотурбонагнетатель связан кинематически : валом двигателя, условный механический к. п. д. будет равен

где ?_т^д—механический к. п. д. собственно двигателя.

При ?_T > ?_К разность (?_Т — ?_К) называется положительным небалансом, а при ?_т<?_к(?_к — ?_Т) называется отрицательным небалансом.

Судовые дизели имеют следующие значения механического к. п. д.

Что характеризует кпд электродвигателя. Кпд электродвигателей и что влияет на его значение

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

Расчет потерь в электрическом двигателе

Для расчета потерь в электродвигателе используют специальные формулы. На диаграммах можно заметить, что 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 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 электромоторов имеет коэффициент полезного действия 80-90%. Мощные моторы выпускают с КПД от 90 до 96%.

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.

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.

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

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

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.

Потери энергии в двигателе

Обобщение 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 со сгорания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не полностью превращается в идеальные продукты сгорания CO ₂ и H ₂ О. Энергия, остающаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, равна учитывается полнотой 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 сгоранием 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 с помощью коэффициента 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.Последнее приходится на с механическим КПД . Как это ни странно, потери при газообмене 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 тепловая 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 впускные и выпускные 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 фактором, определяющим содержание энергии в захваченной воздушно-топливной смеси и, следовательно, общее количество тепла, которое может быть выделено, также важен ряд второстепенных факторов.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, высвобождаемая 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, но при этом вносят значительный вклад в 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 воздух / топливо, 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

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 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, на основе одной только 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

###

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. С помощью объемного КПД 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 В _c [м 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 параметры геометрии 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 соотношение между фактическим (измеренным) объемом всасываемого воздуха V _a [м ³] , втянутого 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 за полный цикл 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 (равна 286.{-3} \ cdot \ frac {1000} {60}} = 0.70

= 70.91 \ text {%} \]

Объем двигателя был преобразован с л на м ³ , а частота вращения двигателя — 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

По любым вопросам или наблюдениям относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

(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.)

Спрашивается, а зачем нужна эта формула КПД? 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

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 в газ 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 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 быть на 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, не передавая тепло другому. , 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 с разделением «входящего» тепла и «выходного» тепла 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 — это разница 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 тепловой КПД , равный 100%. 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, за которыми 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 двигателей 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 отношением 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 представляет собой воздух. 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)

Пары бензина (или другого горючего) попадают в камеру и смешиваются с воздухом при прохладной (окружающей) температуре, после чего над смесью проводится работа 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 снаружи 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 новая партия воздуха и паров бензина попадает в камеру.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 выводится 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 присутствующего 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, что делает 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 на диаграмме PV циклы идут по часовой стрелке.Это гарантирует, что после работы полного цикла уходит из системы, а тепло уходит на . 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 изменяет фазу хладагента на 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
63% смог вызвать, 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 на данный момент 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 составляет рассчитывается путем сравнения выходной энергии, кинетическая энергия в случае автомобиля, с входящей энергией, энергия, содержащаяся в молекулах бензина.
Эффективность для любого автомат можно определить, посчитав количество энергия, идущая на преобразование энергии в полезную выходящая энергия. Оба типа трансформации возникновение и тип используемого устройства могут повлиять на уровень эффективности.
Калькулятор КПД Карно
Если вас интересует термодинамика, вам обязательно стоит попробовать этот калькулятор КПД Карно. Это удобный инструмент, который поможет вам определить тепловой КПД двигателя, работающего по циклу Карно. Продолжайте читать, чтобы узнать, что такое цикл Карно, как решить уравнение эффективности Карно и почему вам не следует использовать этот тип двигателя в своем автомобиле.
Что такое тепловой двигатель Карно?
Тепловая машина Карно работает по циклу Карно, наиболее эффективному процессу теплового двигателя, разрешенному законами термодинамики.В этом цикле двигатель выполняет четыре последовательных процесса, а затем возвращается в исходное состояние.
Сам двигатель состоит из двух неподвижных тел и рабочего тела (жидкость паровое тело). Два неподвижных тела имеют постоянную температуру; первый, называемый «топкой», имеет высокую температуру Th , а второй, называемый «холодильником», — низкотемпературный Tc .
Четыре фазы цикла Карно:
Изотермическое расширение при Th .Рабочее вещество расширяется при постоянной температуре Th , выполняя работу с окружающей средой.
Адиабатическое расширение . Рабочее вещество расширяется дальше, воздействуя на окружающую среду, но теряет часть своей внутренней энергии. Потеря энергии означает охлаждение до температуры Tc .
Изотермическое сжатие при Tc . Окружающие среды производят работу над рабочим телом, сжимая его при постоянной температуре Tc .Поскольку давление ниже, чем на шаге 1, объем работы меньше, чем работа, произведенная тогда.
Адиабатическое сжатие . Окружающая среда продолжает работать над рабочим веществом, сжимая его еще больше. Сжатие приводит к повышению температуры до Th . В конце шага 4 рабочее вещество находится точно в том же положении, что и до шага 1.
Уравнение эффективности Карно
Двигатель Карно — самый эффективный тепловой двигатель, который только можно построить.Чтобы найти его КПД η , необходимо применить следующее уравнение:
η = (Th - Tc) / Th * 100%
И Th , и Tc являются абсолютными температурами (выраженными в Кельвинах).
Например, вы можете попытаться вычислить КПД Карно двигателя, работающего между двумя телами: одно при температуре 25 ° C, а другое при 135 ° C. Чтобы найти результат, вам необходимо выполнить следующие действия:
Используйте преобразователь температуры для перевода 25 ° C в градусы Кельвина.Вы также можете произвести расчеты вручную; в этом случае Tc = 25 + 273,15 = 298,15 K .
Повторите шаг 1 для температуры горячего резервуара. В данном случае Th = 135 + 273,15 = 408,15 K .
Введите эти значения в уравнение эффективности Карно:
η = (Th - Tc) / Th * 100%
η = (408,15 - 298,15) / 408,15 * 100%
η = 110/408.15 * 100%
η = 26,95%
КПД Карно равен 26,95%. Обязательно проверьте правильность результата с помощью этого калькулятора теплового КПД!
Можно ли построить двигатель Карно?
Двигатель Карно представляет собой идеализированный вариант теплового двигателя. Тем не менее теоретически можно было бы построить двигатель по модели двух резервуаров с постоянными температурами и рабочего тела.
Причина, по которой двигатель не имеет практического применения, заключается в продолжительности каждого процесса.Изотермические процессы идут ужасно медленно; Прежде чем действительно произойдет теплопередача, потребуется огромное количество времени. Как заключил Шредер, «не утруждайте себя установкой двигателя Карно в свой автомобиль. Хотя это увеличит расход топлива, пешеходы обгонят вас по шоссе».
Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания
Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания невероятно неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют даже 50% теплового КПД.Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.
А автомобили с бензиновым двигателем еще , более неэффективны, значительно менее эффективны.
Хотя это может звучать так, как будто транспортное средство, которое только 50% тепловой энергии, производимой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят около 80% энергии, производимой при сгорании топлива.Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% производимой энергии из выхлопной трубы или теряют эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.
Причины такой неэффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.
«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). По словам X-Engineer, этот термодинамический процесс выделяет тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию.орг. Но большая часть производимой энергии теряется. Большая часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.
Хотя даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют довольно длинного объяснения термодинамики, объяснение длины подачи Twitter легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом вне двигателя определяет тепловой КПД — т.е. неэффективность двигателя внутреннего сгорания.
Что такое термический КПД и каковы законы термодинамики
КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД.Термический КПД является следствием термодинамики. Существует как определение, так и формула теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «Тепловая эффективность — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».
Строгое определение термического КПД, согласно Словарю Мерриама-Вебстера, — это «отношение тепла, используемого тепловым двигателем, к общему количеству единиц тепла в потребляемом топливе». Более практичное определение термического КПД непрофессионала — это влияние количества энергии, производимой при сжигании топлива двигателем внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.
Формула теплового КПД, однако, может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия — это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, подаваемого в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на входные данные является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое затрачивается на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, двигателей с поршнями.
Есть два закона термодинамики, которые определяют тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.
Первый закон термодинамики
Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, выходная энергия не может превышать вложенную энергию. Другими словами, энергия, производимая двигателем — будь то потеря энергии или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше, чем энергетический потенциал топлива, подаваемого в камеру сгорания.
Первый закон термодинамики интуитивно понятен.Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги как метафору первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей из доллара.
В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.
Второй закон термодинамики
Согласно второму закону термодинамики, 100% тепловой КПД достичь невозможно.
Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать в работу около 100% подводимого тепла. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло.”
Чрезвычайно большой процент энергии, производимой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии — причина того, что двигатель нагревается. Нагрев двигателя происходит за счет теплопроводности. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, нагреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.
Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выдувает выхлоп, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.
Тепло — энергия — потери и теорема Карно
Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии.Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — это факт, доказанный теоремой Карно.
Предел Карно — это количество энергии, производимой во время сгорания, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже Предел Карно .
Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?
Тепловой КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. Несмотря на то, что есть компании, которые предпринимают шаги по повышению теплового КПД бензиновых двигателей, даже сопоставить КПД сгорания старых дизельных двигателей чрезвычайно сложно. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить термический КПД своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сожженного топлива в полезную энергию.Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД.
Дизель обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, максимальный тепловой КПД которого, по заявлению компании, составляет 38 процентов, тепловой КПД «выше, чем у любого другого двигателя внутреннего сгорания, выпускаемого серийно».”
Другой взгляд на термический КПД связан с расходами на топливо. На каждый доллар бензина, приобретенный человеком, почти 80 центов теряется в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически заставляют бензиновый двигатель двигаться дальше. Хотя все еще шокирующе низко, даже обычные дизельные двигатели тратят не менее 40 центов за доллар на механическое использование.
Хотя 60 центов на каждый доллар дизельного топлива теряются из-за тепловой неэффективности, это все равно вдвое лучше, чем у среднего бензинового двигателя.
Почему тепловой КПД дизельного двигателя выше, чем у бензинового двигателя
В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, в то время как дизельные двигатели могут достигать теплового КПД почти 50%. «Современные производимые двигатели с искровым зажиганием работают с тепловым КПД тормозов (BTE) около 30–36% [12], двигатели с воспламенением от сжатия уже давно признаны одним из самых эффективных силовых агрегатов, нынешние BTE дизельных двигателей могут достичь до 40–47%.
Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сжигании обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи со стороны дорогой гибридной системы.”
Тепловой КПД и степень сгорания
В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда он приближается к точке, где топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.
Степень сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8: 1 до 12: 1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если только октановое число топлива не является высоким, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, в отличие от сжатия в результате воздействия искры.
Дизельные двигатели имеют гораздо более высокую степень сжатия. На то есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели — это двигатели сжатия.Сжатие — это то, что заставляет дизельное топливо в камере сгорания взорваться. В двигателе с компрессионным двигателем нет искры, которая воспламеняет дизельное топливо. Кроме того, у дизельных двигателей более высокая степень сжатия, поскольку дизельное топливо является более стабильным топливом. Для зажигания дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14: 1 до 25: 1.
Решения для повышения эффективности двигателя
Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения теплового КПД двигателя.Конструктивные и технологические ограничения не позволяют владельцам вносить существенные улучшения в транспортное средство с точки зрения теплового КПД. Однако — — возможно улучшить эффективность сгорания.
Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, в отношении тяжелого топлива с высокой плотностью энергии — дизельного топлива, мазута, бункерного топлива и т. Д. — существуют доступные технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания.Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводорода, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.
Топливо с низкой плотностью энергии, такое как бензин и природный газ, обычно имеет постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелым топливом, поскольку оно состоит из более мелких короткоцепочечных углеводородных молекул. Но более крупные и длинные углеводородные молекулы и цепочки молекул в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха.Без воздуха углеводороды не загорятся.
Топливные катализаторы — одно из самых простых средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в благородных металлах разрушают топливные кластеры, деполяризуя присущие им заряды, которые заставляют углеводороды объединяться в кластеры.
Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания — и, следовательно, топливную эффективность — от 3% до 8% в внедорожных транспортных средствах. На тяжелой технике повышение эффективности использования топлива еще более резкое.При добавлении топливного катализатора Rentar в топку или котел, работающие на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% и более.
Несмотря на то, что трудно предотвратить потери энергии, присущие всем двигателям внутреннего сгорания, все же можно повысить эффективность использования топлива.

Определение КПД электродвигателя и его мощности

КПД электродвигателя

Расчет потерь в электродвигателе

КПД электродвигателя в расчетах

Новый подход к выполнению проверок электродвигателей с Fluke 438-II соответствует реальным условиям работы

Традиционные методы проверки электродвигателей

Параметры электродвигателей

Фактические условия эксплуатации

Новый подход

Принцип работы

Заключение

Методика оценочного расчета удельного расхода топлива двухконтурного турбореактивного двигателя | Кузнецов

Новый подход к контролю соответствует реальным условиям работы

Традиционные методы проверки электродвигателей

Параметры электродвигателей

«Реальные» рабочие условия

Новый подход

Принцип работы

Сводный обзор

Механический коэффициент полезного действия

Что характеризует кпд электродвигателя. Кпд электродвигателей и что влияет на его значение

Расчет потерь в электрическом двигателе

КПД электродвигателя в расчетах

Сравнение электродвигателя без противоЭДС с обычным, по мощности потребления

КПД двигателя

Потери энергии в двигателе

Обобщение убытков

Топливо Энергия

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

Калькулятор объемного КПД

(PDF) Расчет КПД двигателя с помощью уравнения общего цикла

6.2: Двигатели и тепловой КПД

Простой двигатель

Реальные двигатели

Тепловой КПД

Цикл Отто

Дизельный цикл

Цикл Карно

Холодильники

КПД двигателя

Калькулятор КПД Карно

Что такое тепловой двигатель Карно?

Уравнение эффективности Карно

Можно ли построить двигатель Карно?

Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания

Что такое термический КПД и каковы законы термодинамики

Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?

Почему тепловой КПД дизельного двигателя выше, чем у бензинового двигателя

Решения для повышения эффективности двигателя

Добавить комментарий Отменить ответ