0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое коэффициент полезного действия кпд тепловых двигателей

Об ограниченности области применения теоремы Карно

  • Аннотация
  • Об авторе
  • Список литературы
  • Cited By

Аннотация

Целью написания данной статьи является сравнительное исследование обратимого теплового двигателя с идеальным или реальным газом в качестве рабочего тела и определение изменения его коэффициента полезного действия в зависимости от термодинамических характеристик рабочего тела. Основным методом исследования является метод термодинамических потенциалов, базирующийся, прежде всего на анализе изменения свободной и внутренней энергии идеального и реального газа в циклическом процессе. В статье на основе теории термодинамических потенциалов произведено рассмотрение квазистатического теплового двигателя Карно, в рамках которого осуществлен сравнительный анализ его работы, как для цикла с рабочим телом идеальный газ, так и для цикла с рабочим телом реальный газ. В работе выявлена и обоснована возможность анализа циклических процессов, протекающих в тепловых двигателях с использованием метода термодинамических потенциалов. На основе проведѐнного исследования установлено, что существующая формулировка теоремы Карно справедлива только для рабочего тела «идеальный газ». В общем случае, на основании проведѐнной работы, теорема Карно может быть сформулирована, например, следующим образом: коэффициент полезного действия тепловой машины ηr, при еѐ функционировании по обратимому циклу Карно с рабочим телом реальный газ, определяется следующей формулой:

где TA и TB — температура, соответственно, верхней и нижней изотерм цикла Карно;

ε – поправка (положительная или отрицательная), зависящая от термодинамических свойств реального газа, которая стремится к нулю при приближении свойств реального газа к свойствам газа идеального.

Ключевые слова

Об авторе

Список литературы

1. Киселёв В.Г. Парадокс Гиббса и его решениe //Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 11-12. С. 129–137.

2. Киселёв В.Г. Изотермическое расширение идеального газа и химическое сродство // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. № 11-12. С.142–151

3. Киселёв В.Г. Тепловые машины Филипса и Карно с точки зрения теории термодинамических потенциалов / В.Г. Киселёв // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. № 9-10. С. 154–165.

4. Gibbs J Willard. The Collected Works. Longmans, Green and Co (NY):1928. Vol.1, pp. XXVIII + 434.

5. Thomson W. Mathematical and Physical Papers. Cambridge at the University:1882. Vol. 1. pp. 174- 232.

6. Ihnatovych V. Study of the possibility of eliminating the Gibbs paradox within the framework of classical thermodynamics. Доступен по: http://arxiv.org/pdf/1306.5737. Ссылка активна на 2013.

7. Ihnatovych V. The logical foundations of Gibbs’ paradox in classical thermodynamics. Доступно по: http://arxiv.org/pdf/1305.0742 Ссылка активна на 2013.

8. Ihnatovych V On the incorrectness of the proof of the Gibbs theorem on the entropy of a mixture of ideal gases, which was given by J. W.Gibbs. Preprintat http://arxiv.org/pdf/1804.08721 Ссылка активна на. 2018.

9. Ihnatovych V. Explanation of the Gibbs paradox.Доступно по:https://zenodo.org/record/2908285. Ссылка активна на 14 февраля 2019 г

10. Ihnatovych Volodymyr. Explanation of the Gibbs paradox. Zenodo.2019. http://doi.org/10.5281/zenodo.2908285 Ссылка активна на 18 мая 2018г.

Читать еще:  Двигатель авто работает рывками

11. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур:. М.: Мир, 2002. 461 с.

12. Глазов В.М. Основы физической химии:.М.: Высшая школа, 1981.

13. Измайлов Н.А. Электрохимия растворов.М.: Химия, 1976. 488 с.

14. Николаев Л.А. Физическая химия. М.: Высшая школа, 1979. 372 с.

15. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1975. 568 с.

Для цитирования:

Киселёв В.Г. Об ограниченности области применения теоремы Карно. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019;21(3):32-45. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-32-45

For citation:

Kiselev V.G. Regarding the application limitations of the Carnot, s theorem. Power engineering: research, equipment, technology. 2019;21(3):32-45. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-3-32-45


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Падение КПД и общие потери в электродвигателе

Существует множество негативных факторов, под влиянием которых складывается количество общих потерь в электрических двигателях. Существуют специальные методики, позволяющие заранее их определить. Например, можно определить наличие зазора, через который мощность частично подается из сети к статору, и далее — на ротор.

Потери мощности, возникающие в самом стартере, состоят из нескольких слагаемых. В первую очередь, это потери, связанные с и частичным перемагничиванием сердечника статора. Стальные элементы оказывают незначительное влияние и практически не принимаются в расчет. Это связано со скоростью вращения статора, которая значительно превышает скорость магнитного потока. В этом случае ротор должен вращаться в строгом соответствии с заявленными техническими характеристиками.

Значение механической мощности вала ротора ниже, чем электромагнитная мощность. Разница составляет количество потерь, возникающих в обмотке. К механическим потерям относятся трения в подшипниках и щетках, а также действие воздушной преграды на вращающиеся части.

Для асинхронных электродвигателей характерно наличие дополнительных потерь из-за наличия зубцов в статоре и роторе. Кроме того, в отдельных узлах двигателя возможно появление вихревых потоков. Все эти факторы в совокупности снижают КПД примерно на 0,5% от номинальной мощности агрегата.

При расчете возможных потерь используется и формула КПД двигателя, позволяющая вычислить уменьшение этого параметра. Прежде всего учитываются суммарные потери мощности, которые напрямую связаны с нагрузкой двигателя. С возрастанием нагрузки, пропорционально увеличиваются потери и снижается коэффициент полезного действия.

В конструкциях асинхронных электродвигателей учитываются все возможные потери при наличии максимальных нагрузок. Поэтому диапазон КПД этих устройств достаточно широкий и составляет от 80 до 90%. В двигателях повышенной мощности этот показатель может доходить до 90-96%.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.

Формула 1 — коэффициент полезного действия

Где—A
полезная работа

Q
суммарная работа, которая была затрачена

Любая система, совершающая какую либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа. Возьмем, к примеру, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.

Читать еще:  Электронный датчик температуры масла двигателя

Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери. Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.

Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любом системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.

КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.

В заключение можно сказать, что КПД определяет уровень совершенства, какого либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.

Потери тепла в отопителе

Потеря тепла с отходящими газами

Потери тепла с уходящими продуктами горения (q2) являются самыми весомыми. Температура продуктов горения напрямую влияет на эффективность отопительного котла.

Нормальный температурный напор на холодном конце воздухонагревателя обеспечивается при температуре 70-110°С.

Основные источники теплопотерь.

При уменьшении температуры уходящих газов на 12-15°С КПД котла увеличивается примерно на 1%. Однако охлаждение уходящих газов требует увеличения размеров поверхностей нагрева, что увеличивает размеры всей конструкции. Кроме того, при уменьшении температуры отработанных газов есть риск возникновения низкотемпературной коррозии.

Эта температура зависит от температуры поступающего воздуха и вида топлива. Рекомендуемые значения температуры уходящих газов для различных видов сжигаемого топлива и различной температуры входящего воздуха приведены в таблице ниже.

Вид топливаТемпература уходящих газов, o СТемпература входящего воздуха, o С
Каменный уголь130-14020-30
Слабореакционные угли марок А, ПА, Т120-13020-30
Бурые угли
Марки Б3
Марки Б2
Марки Б1
140-145
145-150
150-160
30-40
40-50
60-70
Горючие сланцы140-15040-50
Торф150-16050-60
Мазут сернистый (sp = 0.5-2%)150-16070-90
Природный, попутный газ110-12020-30

Чтобы произвести расчет потерь тепла, связанных с уходящими продуктами горения, применяется формула:

q2 = (T1 – T3) (A2/(21 – O2) + B), где Т1 – температура уходящих продуктов горения в контрольной точке за пароперегревателем; Т3 – температура входящего воздуха; 21 – концентрация кислорода в воздухе; О2 – концентрация кислорода в уходящих продуктах горения, ее определение происходит в контрольной точке; А2 и В – коэффициенты, которые зависят от сжигаемого топлива, приведены в таблице ниже.

Сжигаемое веществоА2B
Мазут0,680,007
Природный газ0,660,009
Уголь0,6640,008
Коксовый газ0,60,011
Сжиженный газ0,630,008
Кокс0,650,008
Дерево сухое0,650,008
Читать еще:  Шевроле круз троит двигатель на холостых оборотах

Потеря тепла из-за химического недожога

Сжигание мазута приводит к потерям тепла из-за химического недожога.

Данный вид потери (q3) учитывается, если в качестве топлива используются газообразные вещества или мазут. Для современных газовых котлов он составляет 0,1-0,2%. Если процесс сжигания идет с небольшим избытком воздуха, то потерю следует принимать равной 0,15%, а при большом избытке воздуха – равной нулю. Если же используется смесь газов с разной температурой сгорания, то q3=0,4-0,5%.

Данный вид потерь (q4) характерен для твердых видов топлива. К примеру, для антрацита он равен 4-6%, для полуантрацита – 3-4%, а для каменного угля – 1,5-2%. Малореакционные виды угля необходимо сжигать с жидким шлакоудалением, тогда q4 будет минимальным из приведенных значений, при твердом же шлакоудалении принимается верхняя граница теплопотерь.

Потери тепла от наружного охлаждения

Данный вид потерь (q5) весьма невелик (составляет менее 0,5%) и уменьшается с ростом мощности отопительного агрегата. Такие потери соответствуют прямому расчету паропроизводительности котла:

  • при паропроизводительности D от 42 до 25 кг/с потери равны q5=(60/D) 0,5 /lgD;
  • при паропроизводительности D более 250 кг/с потери принимаются равными 0,2%.

Потери тепла при удалении шлаков

Потери, связанные с физическим теплом шлаков, (q6) учитываются при жидком шлакоудалении. Если же шлак из топки удаляется твердым методом, то потеря тепла учитывается только если она составляет более 2,5Q.

Методы определения КПД

КПД трансформатора можно подсчитать, с использованием нескольких методов. Данная величина зависит от суммарной мощности устройства, возрастая с увеличением указанного показателя. Значение эффективности колеблется в пределах от 0,8 до 0,92 при значении мощности от 10 до 300 кВт.

Зная величину предельной мощности, можно определить значение КПД, используя специальные таблицы.

Непосредственное измерение

Формула для вычисления данного показателя может быть представлена в нескольких выражениях:

ɳ = (Р2/Р1)х100% = (Р1 – ΔР)/Р1х100% = 1 – ΔР/Р1х100%,

  • ɳ – значение КПД;
  • Р2 и Р1 – соответственно величина полезной и потребляемой сетевой мощности;
  • ΔР – величина суммарных мощностных потерь.

Из указанной формулы видно, что значение показателя КПД не может превышать единицу.

После поэтапного преобразования приведённой формулы с учётом использования значений электротока, напряжения и угла между фазами, получается такое соотношение:

ɳ = U2хI2хcosφ2/ U2хI2хcosφ2 + Робм + Рс,

  • U2 и I2 – соответственно, значение напряжения и тока во вторичной обмотке;
  • Робм и Рс – величина потерь в обмотках и сердечнике.

Представленная формула содержится в ГОСТе, описывающем определение данного показателя.

Расчёты КПД

Определение косвенным методом

Для приборов, обладающих большой эффективностью работы, при величине КПД, превышающем 0,96, точный расчёт не всегда оказывается возможным. Поэтому данное значение определяется при помощи косвенного метода, предполагающего оценку мощностных показателей в первичной катушке, вторичной и допущенных потерь.

Оценивая характеристики трансформатора, следует отметить высокую эффективность использования указанного оборудования, обусловленную его конструктивными особенностями.

Более подробно про КПД трансформатора можете прочитать здесь(откроется в новой вкладе, читать со страницы 14): Открыть файл

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector