Що означає ккд. Значення ККД двигунів

Робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:

Вперше цей процес було розглянуто французьким інженером і вченим Н. Л. С. Карно в 1824 р. в книзі «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу».

Метою досліджень Карно було з'ясування причин недосконалості теплових машин на той час (вони мали ККД ≤ 5 %) та пошуки шляхів їх удосконалення.

Цикл Карно - найефективніший із усіх можливих. Його ККД максимальний.

На малюнку зображені термодинамічні процеси циклу. У процесі ізотермічного розширення (1-2) за температури T 1 , робота відбувається за рахунок зміни внутрішньої енергіїнагрівача, тобто за рахунок підведення до газу кількості теплоти Q:

A 12 = Q 1 ,

Охолодження газу перед стисненням (3-4) відбувається при адіабатному розширенні (2-3). Зміна внутрішньої енергії ΔU 23 при адіабатному процесі ( Q = 0) повністю перетворюється на механічну роботу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газу в результаті адіабатичного розширення (2-3) знижується до температури холодильника T 2 < T 1 . У процесі (3-4) газ ізотермічно стискається, передаючи холодильнику кількість теплоти. Q 2:

A 34 = Q 2,

Цикл завершується процесом адіабатичного стиснення (4-1), при якому газ нагрівається до температури Т 1.

максимальне значення ККДтеплових двигунів, що працюють на ідеальному газі, за циклом Карно:

.

Суть формули виражена у доведеній З. Карно теоремі про те, що ККД будь-якого теплового двигуна не може перевищувати ККД циклу Карно, що здійснюється за тієї ж температури нагрівача і холодильника.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) є величиною, яка у відсотковому відношенні виражає ефективність того чи іншого механізму (двигуна, системи) щодо перетворення отриманої енергії на корисну роботу.

Читайте у цій статті

Чому ККД дизеля вище

Показник ККД для різних двигунівможе сильно відрізнятися і від ряду чинників. мають відносно низький ККД завдяки великій кількості механічних та теплових втрат, що виникають у процесі роботи силового агрегату даного типу.

Другим чинником виступає тертя, що виникає при взаємодії сполучених деталей. Велику частинуВитрати корисної енергії становить приведення в рух поршнів двигуна, а також обертання деталей усередині двигуна, які конструктивно закріплені на підшипниках. Близько 60% енергії згоряння бензину витрачається лише забезпечення роботи цих вузлів.

Додаткові втрати викликає робота інших механізмів, систем та навісного обладнання. Також враховується відсоток втрат на опір у момент впуску чергового заряду палива та повітря, а далі випуску газів, що відпрацювали, з циліндра ДВС.

Якщо порівняти дизельну установку та мотор на бензині, дизельний двигунмає помітно більший ККД порівняно із бензиновим агрегатом. Силові агрегати на бензині мають ККД на позначці близько 25-30% загальної кількості отриманої енергії.

Іншими словами, з витрачених на роботу двигуна 10 літрів бензину лише 3 літри витрачені на виконання корисної роботи. Решта енергії від згоряння палива розійшлася на втрати.

При однаковому показнику робочого об'єму потужність атмосферного бензинового двигунавище, але досягається при вищих оборотах. Двигун потрібно «крутити», втрати зростають, збільшується витрата палива. Також необхідно згадати момент, що крутить, під яким у буквальному сенсі розуміється сила, яка передається від мотора на колеса і рухає автомобіль. Бензинові ДВС виходять на максимум моменту, що крутить, при більш високих оборотах.

Аналогічний атмосферний дизель виходить на пік моменту, що крутить, при низьких оборотах, при цьому витрачає менше солярки для виконання корисної роботи, що означає більше високий ККДта економію палива.

Солярка утворює більше тепла в порівнянні з бензином, температура згоряння дизпалива вища, показник детонаційної стійкості вищий. Виходить, у дизельного ДВЗ проведена корисна робота на певній кількості палива більше.

Енергетична цінність солярки та бензину

Дизельне паливо складається з важчих вуглеводнів, ніж бензин. Найменший ККД бензинової установки порівняно з дизелем також полягає в енергетичній складовій бензину та особливості його згоряння. Повне згоряння рівної кількості солярки та бензину дасть більше тепла саме у першому випадку. Тепло в дизельному ДВС більш повноцінно перетворюється на корисну механічну енергію. Виходить, що при спалюванні однакової кількості палива за одиницю часу саме дизель виконає більше роботи.

Також варто враховувати особливості упорскування та створення належних умов для повноцінного згоряння суміші. У дизель паливо подається окремо від повітря, впорскується не у впускний колектор, а безпосередньо в циліндр на самому кінці такту стиснення. Результатом стає більш висока температура та максимально повноцінне згоряння порції робочої паливно-повітряної суміші.

Підсумки

Конструктори постійно прагнуть підвищити ККД як дизельного, так і бензинового двигуна. Збільшення кількості впускних та випускних клапанів на один циліндр, активне застосування, електронне керуванняпаливним упорскуванням, дросельною заслінкоюта інші рішення дозволяють суттєво підвищити коефіцієнт корисної дії. Більшою мірою це стосується дизельного двигуна.

Завдяки таким особливостям сучасний дизель здатний повністю спалити насичену вуглеводнями порцію дизпалива в циліндрі і видати великий показник моменту, що крутить, на низьких оборотах. Низькі оборотиозначають менші втрати на тертя і опір, що виникає в результаті тертя. З цієї причини дизельний мотор сьогодні є одним із найбільш продуктивних та економічних типів ДВС, ККД якого найчастіше перевищує позначку в 50%.

Читайте також

Чому краще прогріти двигун перед поїздкою: мастило, паливо, зношування холодних деталей. Як правильно гріти дизельний двигун взимку.

Сьогодні ми розповімо, що таке ККД (коефіцієнт корисної дії), як його обчислювати і де це поняття застосовується.

Людина та механізм

Що об'єднує пральну машинкута консервний завод? Бажання людини зняти із себе необхідність робити все самостійно. До винаходу парового двигунау розпорядженні людей були лише їхні м'язи. Вони все робили самі: орали, сіяли, готували, добували рибу, ткали льон. Щоб забезпечити виживання довгою зимою, кожен член селянської сім'ї працював світлий час доби з двох років до смерті. Найменші діти доглядали тварин і були на підмозі (принеси, скажи, поклич, відведи) у дорослих. Дівчинку вперше садили за прядку в п'ять років! Навіть глибокі люди похилого віку різали ложки і а найстаріші й немічні бабусі сиділи за ткацькими верстатами і прялками, якщо дозволяв зір. Їм ніколи було замислюватися над тим, що таке зірки і чому вони світять. Люди втомлювалися: щодня треба було йти і працювати, незважаючи на стан здоров'я, біль та моральний настрій. Звичайно, людина хотіла знайти помічників, які хоч трохи розвантажили б його натруджені плечі.

Смішне та дивне

Найпередовішими технологіями на той час були кінь і млинове колесо. Але вони робили лише вдвічі-втричі більше роботи, ніж людина. Але перші винахідники почали вигадувати пристосування, які виглядали дуже дивно. У фільмі «Історія вічного коханняЛеонардо да Вінчі приробив до ніг маленькі човники, щоб ходити по воді. Це призвело до кількох смішних казусів, коли вчений плюхнувся в озеро просто в одязі. Хоча цей епізод лише вигадка сценариста, напевно подібні винаходи так і виглядали - комічно і забавно.

Вік XIX: залізо та вугілля

Але в середині ХІХ століття все змінилося. Вчені усвідомили силу тиску пари, що розширюється. Найголовнішими товарами того часу стали залізо для виробництва котлів та вугілля для нагрівання води в них. Вченим того часу треба було зрозуміти, що таке ККД у фізиці пари та газу, та як його підвищити.

Формула для коефіцієнта загальному випадкутака:

Робота та тепло

Коефіцієнт корисної дії (скорочено ККД) – це безрозмірна величина. Вона визначається у відсотках та обчислюється як співвідношення витраченої енергії до корисної роботи. Останній термін часто використовують мами недбайливих підлітків, коли змушують їх робити щось по дому. Але насправді це реальний результатвитрачених зусиль. Тобто якщо ККД машини 20%, то вона лише одну п'яту отриманої енергії перетворює на дію. Тепер при покупці автомобіля у читача не повинно виникнути питання, що таке ККД двигуна.

Якщо коефіцієнт обчислюється у відсотках, то така формула:

η – ККД, A – корисна робота, Q – витрачена енергія.

Втрати та реальність

Напевно, всі ці міркування викликають подив. Чому б не винайти машину, яка може використати більше енергії палива? На жаль, реальний світ не такий. У школі діти вирішують завдання, у яких немає тертя, всі системи замкнуті, а випромінювання строго монохроматичне. Справжні інженери на заводах-виробниках змушені враховувати присутність усіх цих факторів. Розглянемо, наприклад, що таке та з чого цей коефіцієнт складається.

Формула в даному випадку виглядає так:

η=(Q 1 -Q 2)/Q 1

При цьому Q 1 - кількість теплоти, яку двигун отримав від нагрівання, а Q 2 - кількість теплоти, яку він віддав навколишнє середовище(У загальному випадку це називається холодильником).

Паливо нагрівається і розширюється, сила штовхає поршень, що приводить у дію обертальний елемент. Але паливо міститься в якійсь посудині. Нагріваючись, воно передає тепло та стінкам судини. Це призводить до втрат енергії. Щоб поршень опустився, газ треба охолодити. Для цього його частина випускається у навколишнє середовище. І було б добре, якби все тепло газ віддав на корисну роботу. Але, на жаль, він охолоджується дуже повільно, тому назовні виходить гаряча пара. Частина енергії витрачається те що, щоб нагріти повітря. Поршень рухається у підлоговому металевому циліндрі. Його краї щільно прилягають до стінок, під час руху вступають у дію сили тертя. Поршень нагріває порожнистий циліндр, що також призводить до втрати енергії. Поступальний рух стрижня вгору-вниз передається на момент, що крутить, через ряд з'єднань, які труться один об одного і нагріваються, тобто частина первинної енергії витрачається ще й на це.

Звичайно, в заводських машинах всі поверхні поліруються до атомарного рівня, всі метали міцні і мають найменшу теплопровідність, а масло для змащування поршнів має найкращі властивості. Але в будь-якому двигуні енергія бензину йде на нагрівання частин, повітря та тертя.

Каструля та котел

Зараз ми пропонуємо розібратися в тому, що таке ККД котла і з чого він складається. Будь-яка господиня знає: якщо залишити воду кипіти в каструлі під закритою кришкою, то або вода капатиме на плиту, або кришка «танцюватиме». Будь-який сучасний котел влаштований приблизно так само:

• тепло нагріває закриту ємність, повну води;
• вода стає перегрітою парою;
• при розширенні газоводяна суміш обертає турбіни або рухає поршні.

Так само, як і в двигуні, здійснюються втрати енергії на нагрівання котла, труб і тертя всіх з'єднань, тому жоден механізм не може мати ККД, що дорівнює 100%.

Формула для машин, які працюють за циклом Карно, виглядає як загальна формуладля теплового двигуна, тільки замість кількості теплоти – температура.

η=(Т 1 -Т 2)/Т 1 .

Космічна станція

А якщо помістити механізм у космос? Безкоштовна енергіяСонця доступна 24 години на добу, охолодження будь-якого газу можливе буквально до 0 про Кельвін майже миттєво. Можливо, в космосі ККД виробництва було б вищим? Відповідь неоднозначна: і так, і ні. Всі ці фактори справді могли б суттєво покращити передачу енергії на корисну роботу. Але доставити на потрібну висоту навіть тисячу тонн поки що неймовірно дорого. Навіть якщо така фабрика пропрацює п'ятсот років, вона не окупить витрати на підйом обладнання, тому фантасти так активно експлуатують ідею космічного ліфта – це значно спростило б завдання і зробило б комерційно вигідним перенесення фабрик у космос.

приклад. Середня силатяги двигуна становить 882 Н. На 100 км шляху він споживає 7 кг бензину. Визначте ККД його двигуна. Спочатку знайдіть корисну роботу. Вона дорівнює добутку сили F на відстань S, яка долається тілом під її впливом Ап=F∙S. Визначте кількість теплоти, яка виділиться при спалюванні 7 кг бензину, це буде витрачена робота Аз=Q=q∙m, де q – питоме паливодля бензину вона дорівнює 42∙10^6 Дж/кг, а m – маса цього палива. ККД двигуна дорівнюватиме ККД=(F∙S)/(q∙m)∙100%= (882∙100000)/(42∙10^6∙7)∙100%=30%.

У загальному випадку, щоб знайти ККД, будь-якої теплової машини (двигуна внутрішнього згоряння, парового двигуна, і т.д.), де робота виконується газом, має коефіцієнт корисного діїрівний різниці теплоти відданої нагрівачем Q1 і отриманої холодильником Q2, знайдіть різницю теплоти нагрівача і холодильника, і поділіть на теплоту нагрівача ККД = (Q1-Q2)/Q1. Тут ККД у дольних одиницяхвід 0 до 1, щоб перевести результат, помножте його на 100.

Щоб отримати ККД ідеальної теплової машини (машини Карно), знайдіть відношення різниці температури нагрівача Т1 і холодильника Т2 до температури нагрівача ККД=(Т1-Т2)/Т1. Це гранично можливий ККД для конкретного типу теплової машини заданими температураминагрівача та холодильника.

Визначте загальну. Такі відомості можна отримати, звернувшись до даних перепису населення. Для визначення загальних коефіцієнтів народжуваності, смертності, шлюбності та розведення вам знадобиться знайти твір спільного населеннята розрахункового періоду. Число, що вийшло, запишіть у знаменник.

Поставте на чисельник показник, що відповідає шуканому відносному. Наприклад, якщо перед вами варто визначити загальний коефіцієнт народжуваності, то на місці чисельника має знаходитися число, що відображає загальну кількість народжених за період, що вас цікавить. Якщо вашою метою є рівень смертності або шлюбності, то на місце чисельника поставте число померлих у розрахунковий період або кількість одружених відповідно.

Помножте число, що вийшло на 1000. Це і буде шуканий вами загальний коефіцієнт. Якщо перед вами стоїть завдання знайти загальний коефіцієнт приросту, то відніміть з коефіцієнта народжуваності коефіцієнт смертності.

Відео на тему

Джерела:

• Загальні коефіцієнтиприродного руху населення

Під словом «робота» розуміється насамперед діяльність, яка дає людині кошти на існування. Іншими словами, за неї він отримує матеріальну винагороду. Тим не менш, люди готові у свій вільний час або безоплатно, або за суто символічну плату брати участь також у суспільно-корисній роботі, спрямованій на допомогу нужденним, благоустрій дворів та вулиць, озеленення тощо. Число таких добровольців, напевно, було б ще більшим, але вони часто не знають, де можуть знадобитися їхні послуги.

Таким чином, коефіцієнт зволоження показує, наскільки велика кількість опадів, що випадають протягом цього періоду в регіоні. Це, своєю чергою, одна із основних чинників, визначальних переважаючий тип рослинності у цій місцевості.

Розрахунок коефіцієнта зволоження

Вказана кількість опадів, яка також виражається в міліметрах, залежить від температури в даному регіоні в конкретний період часу та інших факторів. Тому незважаючи на простоту наведеної формули, розрахунок коефіцієнта зволоження вимагає проведення великої кількостіпопередніх вимірювань за допомогою точних приладів і може бути здійснено лише силами досить великого колективу метеорологів.

У свою чергу, значення коефіцієнта зволоження на конкретній території, що враховує всі ці показники, як правило, дозволяє високим ступенемдостовірності визначити, який тип рослинності переважає у цьому регіоні. Так, якщо коефіцієнт зволоження перевищує 1, це говорить про високому рівнівологості на даній території, що спричиняє переважання таких типів рослинності як тайга, тундра або лісотундра.

Достатній рівень вологості відповідає коефіцієнту зволоження, що дорівнює 1, і, як правило, характеризується переважанням змішаних або . p align="justify"> Коефіцієнт зволоження в межах від 0,6 до 1 характерний для лісостепових масивів, від 0,3 до 0,6 - для степів, від 0,1 до 0,3 - для напівпустельних територій, а від 0 до 0,1 - для пустель .

Джерела:

• Зволоження, коефіцієнти зволоження

Енергія, що підводиться до механізму у вигляді роботи рушійних сил А дв.с. та моментів за цикл усталеного руху, витрачається на здійснення корисної роботи А п.с. , а також на виконання роботи А Fтр, пов'язаної з подоланням сил тертя в кінематичних парах та сил опору середовища.

Розглянемо рух, що встановився. Приріст кінетичної енергії дорівнює нулю, тобто.

При цьому роботи сил інерції та сил тяжіння дорівнюють нулю А Рі = 0, А G = 0. Тоді для руху руху рушійних сил дорівнює

А дв.с. = А п.с. + А Fтр.

Отже, за повний цикл усталеного руху робота всіх рушійних сил дорівнює сумі робіт сил виробничих опорів та невиробничих опорів (сил тертя).

Механічний коефіцієнт корисної дії (ККД)- Відношення роботи сил виробничих опорів до роботи всіх рушійних сил за час руху:

η = . (3.61)

Як видно з формули (3.61), ККД показує, яка частка механічної енергії, наведеної до машини, корисно витрачається на виконання тієї роботи, на яку машина створена.

Відношення роботи сил невиробничих опорів до роботи рушійних сил називається коефіцієнтом втрат :

ψ = . (3.62)

Механічний коефіцієнт втрат показує, яка частка механічної енергії, підведеної до машини, перетворюється в кінцевому рахунку на теплоту і марно втрачається в навколишньому просторі.

Звідси маємо зв'язок між ККД та коефіцієнтом втрат

η =1- ψ.

З цієї формули випливає, що в жодному механізмі робота сил невиробничих опорів не може дорівнювати нулю, тому ККД завжди менше одиниці ( η <1 ). З цієї ж формули випливає, що ККД може дорівнювати нулю, якщо А дв.с = А Fтр. Рух, у якому А дв.с = А Fтр називається неодруженим . ККД може бути менше нуля, т.к. для цього необхідно, щоб А дв.с<А Fтр . Явище, у якому механізм перебуває у спокої і задовольняється умова А дв.с<А Fтр, называется явищем самогальмуваннямеханізму. Механізм, у якого η = 1, називається вічним двигуном .

Таким чином, коефіцієнт корисної дії знаходиться в межах

0 £ η < 1 .

Розглянемо визначення ККД за різних способів з'єднання механізмів.

3.2.2.1. Визначення ККД при послідовному з'єднанні

Нехай є n послідовно з'єднаних між собою механізмів (рисунок 3.16).

А дв.с. 1 А 1 2 А 2 3 А 3 А n-1 n A n

Малюнок 3.16 - Схема послідовно з'єднаних механізмів

Перший механізм наводиться в рух рушійними силами, які виконують роботу А дв.с. Так як корисна робота кожного попереднього механізму, що витрачається на виробничі опори, є роботою рушійних сил для кожного наступного механізму, то ККД першого механізму дорівнюватиме:

η 1 =А 1 /А дв.с ..

Для другого механізму ККД дорівнює:

η 2 =А 2 /А 1 .

І, нарешті, для n-го механізму ККД матиме вигляд:

η n =А n /А n-1

Загальний коефіцієнт корисної дії дорівнює:

η 1 n =А n /А дв.с.

Величина загального ККД може бути отримана, якщо перемножити ККД кожного окремого механізму, а саме:

η 1 n = η 1 η 2 η 3 …η n= .

Отже, загальний механічний коефіцієнт корисної дії послідовноз'єднаних механізмів дорівнює творумеханічних коефіцієнтів корисної дії окремих механізмів, що становлять одну загальну систему:

η 1 n = η 1 η 2 η 3 …η n .(3.63)

3.2.2.2 Визначення ККД при змішаному з'єднанні

Насправді поєднання механізмів виявляється складнішим. Найчастіше послідовне з'єднання поєднується з паралельним. Така сполука називається змішаною. Розглянемо приклад складної сполуки (рисунок 3.17).

Потік енергії від механізму 2 розподіляється за двома напрямками. У свою чергу, від механізму 3 ¢¢ потік енергії розподіляється також за двома напрямками. Загальна робота сил виробничих опорів дорівнює:

А п.с. = A ¢ n + A ¢ ¢ n + A ¢ ¢¢ n.

Загальний ККД всієї системи дорівнюватиме:

η =А п.с /А дв.с =(A ¢ n + A ¢ ¢ n + A ¢ ¢¢ n)/А дв.с . (3.64)

Щоб визначити загальний ККД, потрібно виділити потоки енергії, в яких з'єднані механізми послідовно, і розрахувати ККД кожного потоку. На малюнку 3.17 показано суцільною лінією I-I, штриховою лінією II-II та штрих-пунктирною лінією III-III три потоки енергії від загального джерела.

А дв.с. А 1 А ¢ 2 А ¢ 3 … А ¢ n-1 A ¢ n

II А ¢¢ 2 II

А ¢¢ 3 4 ¢¢ А ¢¢ 4 А ¢¢ n-1 n ¢¢ A ¢¢ n