Во сколько раз максимально возможный кпд двигателя

Во сколько раз максимально возможный кпд двигателя

Гусенова Фатима Аббасовна

Учитель физики СШ имени Темиргали Исабаева Коксуского района Алматинской области
Цели преследуемые преподаванием физики в средней школе весьма многообразны. Мы должны познакомить учащихся с методами изучения природы, с физическими основами разных отраслей производства, заложить основы научного мировоззрения, привить навыки самостоятельной работы, научить применять свои знания в практической деятельности.

Условие задачи: Во сколько раз максимально возможный КПД двигателя внутреннего сгорания больше максимально возможного КПД паровой машины, работающей на перегретом паре при температуре 300 градусов по Цельсию, если температура газов в цилиндре двигателя достигает 1000 градусов по Цельсию? Отработанные газ и пар имеют одинаковые температуры 100 градусов по Цельсию.

Предварительный разбор задачи:

Чтобы решить данную задачу необходимо вспомнить формулу для вычисления КПД.

Выводы по решению задачи или проверка ответа на правдивость:
Проверка правдопонобности ответа осуществляется сравнением со справочными данными.

Источник

КПД электродвигателей

Подписка на рассылку

Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.

Определение КПД электродвигателя

Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:

Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.

Факторы, влияющие на величину КПД

Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:

Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.

Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.

Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.

Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.

Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.

Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.

Читайте также:  Плавают обороты при запуске двигателя на горячую ваз 2112

В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.

Источник

Во сколько раз максимально возможный КПД газовой турбины больше максимально

Условие задачи:

Во сколько раз максимально возможный КПД газовой турбины больше максимально возможного КПД паровой машины, работающей на перегретом паре при температуре 300 °C, если температура газов в турбине достигает 1000 °C? Отработанные газы и пар имеют одинаковую температуру 160 °C?

Задача №5.5.31 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Решение задачи:

Максимально возможный КПД имеют тепловые машины, работающие по циклу Карно. КПД \(\eta\) таких тепловых машин можно определять по формуле:

Тогда КПД паровой машины и газовой турбины можно определить, соответственно, по формулам:

Тогда искомое отношение \(\frac<\eta_2><\eta_1>\), которое показывает во сколько раз максимально возможный КПД газовой турбины больше максимально возможного КПД паровой машины, равно:

Переведём температуры из градусов Цельсия в Кельвины:

Ответ: в 2,7 раза.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

почему температура холодильника равна температуре отработанных газов? ведь это же по сути охлаждённые газы, то есть t-tx=160

Температура холодильника равна температура отработанных газов, можете прочитать тему “Тепловые двигатели” в любом учебнике физики и самостоятельно в этом убедиться.

У меня тоже возник этот вопрос при прочтении задачи. Вопрос:температура холодильника равна температура отработанных газов, только в идеальной тепловой машине или в реальной тоже?

Температура холодильника – это по сути начальная температура рабочего тела (газа) в тепловой машине перед сжатием. Если в идеальной тепловой машине пренебрегают теплообменом со стенками нагревателя, трением и т.д., то получается, что в идеальной эта температура будет ниже, чем в реальной. В этой задаче подразумевается, что температура холодильника равна температура отработанных газов, хотя по идее должна быть равна температуре атмосферы, но видимо тут не пренебрегают теплообменом со стенками нагревателя.

Источник

Какой самый высокий КПД двигателя внутреннего сгорания?

В современной двигателе КПД колеблется в районе 20-25%. Электрические порядка 95%. Чем более нагружен мотор(турбина, компрессор и прочие технологии) тем выше кпд.

Некоторые бензиновые двигатели уже шагнули за порог в 40, а дизели под 60%.

Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100, но и равен 100?

КПД — процентное отношение полезной работы к затраченной. Затраченная энергия всегда больше полезной, так как часть энергии всегда тратиться на преодоление например сил трения. Поэтому КПД меньше 100%

9 · Хороший ответ

Почему в конденсационных котлах КПД выше 100%?

Все дело в эффективности сжигания топлива.

В результате сжигания топлива (газа) в котле образуются продукты сгорания, в которых содержится в том числе и водяной пар, который в традиционном котле выводится в атмосферу, не допуская образования конденсата, губительного для теплообменников из стали, меди и чугуна. То есть содержащаяся в этом паре энергия фактически выбрасывается.

Теплообменники конденсационных котлов изготавливаются из алюминия или нержавейки. Поэтому дымовые газы в таких котлах остужаются до более низких температур, водяной пар конденсируется и отдает энергию, высвобождающуюся при переходе из пара в воду, которая также передается теплоносителю.

Казалось бы, это количество тепла довольно незначительно, но оно выделяется постоянно, и в результате эффективность такой системы увеличивается на 9-11%.

Именно это и позволяет сэкономить на топливе. Поэтому производители конденсационных котлов говорят о том, что КПД их оборудования до 110%.

Но как такое возможно, ведь КПД физически не может быть более 100%, если только перед нами не «вечный двигатель»?

Читайте также:  Рабочая температура двигателя аир

Как все знают из школьного курса физики, коэффициент полезного действия показывает отношение полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, которую получила система. То есть, согласно КПД, указанному в спецификации, конденсационный котел производит больше полезной энергии, чем тратит топлива, что странно. Тем не менее это можно объяснить.

Дело в том, что традиционно КПД котла считается по низшей теплоте сгорания, то есть по теплоте, которая выделяется при полном сгорании топлива без учета теплоты конденсации, так как обычно влага покидает котел в виде пара. Но в конденсационных котлах он также совершает полезную работу, передавая дополнительное тепло в систему, которое не учитывается при расчете КПД по низшей теплоте сгорания.

Поэтому к КПД, рассчитанному таким образом, следует прибавить 9-11%, получаемые за счет процесса конденсации.

Таким образом получается результат больше 100%.

Источник

Во сколько раз максимально возможный кпд двигателя

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1.

Читайте также:  406 двигатель как поменять прокладку передней крышки двигателя

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

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

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 — 800 К и Т2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник

Adblock
detector