効率指定。 内燃機関の効率。 ほぼ等しい量とパーセンテージで表したパワー

永久機関は不可能であることが知られています。 これは、どのメカニズムについても、次のステートメントが当てはまるという事実によるものです。このメカニズムの助けを借りて行われる総仕事量 (メカニズムの加熱や加熱を含む) 環境、摩擦力を克服するため）さらに役立つ作業が常にあります。

たとえば、内燃エンジンの仕事の半分以上は、エンジン部品の加熱に無駄に費やされます。 熱の一部は排気ガスによって持ち去られます。

多くの場合、メカニズムの有効性とその使用の実現可能性を評価する必要があります。 したがって、行われた作業のどの部分が無駄で、どの部分が役立つかを計算するために、特別な 物理量、メカニズムの効率を示します。

この値は機構の効率と呼ばれます

係数 役立つアクションメカニズムは、総仕事量に対する有用な仕事量の比率に等しい。 明らかに、効率は常に 1 未満です。 この値は多くの場合パーセンテージで表されます。 通常、ギリシャ文字 η (「これ」と読みます) で表されます。 効率係数は効率と略されます。

η = (A_full /A_useful) * 100%、

ここで、η 効率、A_全作業量、A_有用な作業量です。

エンジンの中で電気モーターは最も効率が高くなります (最大 98%)。 エンジン効率 内燃機関 20%～40%、蒸気タービン約30%。

注意してください。 メカニズムの効率を高める多くの場合、摩擦力を減らそうとします。 これは、滑り摩擦が転がり摩擦に置き換えられるさまざまな潤滑剤またはボールベアリングを使用して行うことができます。

効率計算例

例を見てみましょう。体重 55 kg の自転車に乗っている人が、5 kg の自転車に乗って高さ 10 m の丘を登り、8 kJ の仕事をしました。 自転車の効率を求めてください。 道路上の車輪の転がり摩擦は考慮しないでください。

解決。自転車と自転車に乗る人の合計質量を求めてみましょう。

m = 55kg + 5kg = 60kg

合計重量を調べてみましょう。

P = mg = 60 kg * 10 N/kg = 600 N

自転車と自転車に乗る人を持ち上げるために行われる仕事を見つけてみましょう。

有用 = PS = 600 N * 10 m = 6 kJ

自転車の効率を求めてみましょう。

A_full / A_useful * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

答え：自転車の効率は 75% です。

別の例を見てみましょう。質量 m の物体がレバー アームの端から吊り下げられています。 もう一方のアームには下向きの力 F がかかり、その先端は h だけ下がります。 レバーの効率をη％としたとき、本体がどれだけ上昇したかを求めます。

解決。力 F によって行われる仕事を見つけてみましょう。

この仕事の η% は、質量 m の物体を持ち上げるために行われます。 したがって、胴体の上昇には Fhη / 100 が費やされ、胴体の重さは mg なので、胴体は Fhη / 100 / mg の高さまで上昇します。

電気エネルギーは、消費者が使用するレベルを超える電圧で長距離伝送されることが知られています。 変圧器の使用は、電圧を必要な値に変換し、送電プロセスの品質を高め、結果として生じる損失を減らすために必要です。

変圧器の説明と動作原理

変圧器は、電圧を下げたり上げたり、相数を変更したり、まれに交流の周波数を変更したりするために使用されるデバイスです。

次のデバイス タイプが存在します。

  • 力;
  • 測定する。
  • 低電力;
  • 脈;
  • ピークトランス。

静的デバイスは、2 つ (またはそれ以上) の巻線と、コアとも呼ばれる磁気回路という主な構造要素で構成されます。 変圧器では、電圧は一次巻線に供給され、変換された形で二次巻線から取り出されます。 巻線はコア内の磁場によって誘導的に接続されます。

他のコンバータと同様に、変圧器には効率係数（と略されます）があります。 効率)、記号が付いています。 この係数は、システムから消費されるエネルギーに対する有効に使用されるエネルギーの比率を表します。 ネットワークからデバイスが消費する電力に対する負荷が消費する電力の比率としても表すことができます。 効率は、変圧器によって実行される仕事の効率を特徴付ける主要なパラメータの 1 つです。

変圧器の損失の種類

一次巻線から二次巻線に電気を伝達するプロセスには損失が伴います。 このため、すべてのエネルギーが伝達されるわけではありませんが、ほとんどが伝達されます。

この装置の設計には、他の電気機械とは異なり、回転部品が含まれていません。 これは、機械的損失が存在しないことを説明しています。

したがって、デバイスには次の損失が含まれます。

  • 電気、銅巻線。
  • 磁性、スチールコア。

エネルギー図とエネルギー保存の法則

デバイスの動作原理は、画像 1 に示すようなエネルギー図の形で概略的に表すことができます。この図は、電気損失と磁気損失が発生するエネルギー伝達のプロセスを反映しています。 .

この図によれば、実効電力 P 2 を求める式は次のとおりです。

P 2 =P 1 -ΔP el1 -ΔP el2 -ΔP m (1)

ここで、P 2 は有効であり、P 1 はネットワークからデバイスによって消費される電力です。

総損失 ΔP を表すと、エネルギー保存則は次のようになります: P 1 =ΔP+P 2 (2)

この式から、P 1 が P 2 および合計損失 ΔP に費やされることは明らかです。 したがって、変圧器の効率は、消費電力に対する供給（有効）電力の比率（P 2 と P 1 の比率）の形で得られます。

効率の決定

デバイスの計算に必要な精度を使用して、以前に導出された効率値を表1から取得できます。


表に示すように、パラメータの値は総電力に直接依存します。

直接測定による効率の決定

の公式 効率の計算いくつかのバージョンで表示できます。

この式は、変圧器の効率値が 1 以下であり、またそれに等しくないことを明確に反映しています。

次の式は正味電力値を決定します。

P 2 =U 2 *J 2 *cosφ 2 、(4)

ここで、U 2 と J 2 は負荷の二次電圧と二次電流、cosφ 2 は力率であり、その値は負荷の種類によって異なります。

P 1 =ΔP+P 2 であるため、式 (3) は次の形式になります。

一次巻線の電気損失 ΔP el1n は、そこを流れる電流の二乗に依存します。 したがって、これらは次のように定義する必要があります。


(6)

その順番で：

(7)

ここで、r mp はアクティブな巻線抵抗です。

電磁装置の動作は定格モードに限定されないため、電流負荷の程度を決定するには、以下に等しい負荷率を使用する必要があります。

β=J 2 /J 2н、(8)

ここで、J 2n は二次巻線の定格電流です。

ここから、二次巻線電流を決定するための式を書き留めます。

J 2 =β*J 2n (9)

この等式を式 (5) に代入すると、次の式が得られます。

最後の式を使用して効率値を決定することが GOST によって推奨されていることに注意してください。

提示された情報を要約すると、変圧器の効率は定格モードでのデバイスの一次巻線と二次巻線の電力値によって決定できることに注意してください。

間接法による効率の決定

効率値が 96% 以上に達する可能性があり、直接測定方法は非経済的であるため、次のようにパラメータを計算します。 高度な正確性は不可能です。 したがって、通常は間接的な方法で判定される。


得られた式をすべてまとめると、効率を計算するための次の式が得られます。

η＝（Ｐ ２ ​​／Ｐ １ ）＋ΔＰ ｍ ＋ΔＰ ｅｌ１ ＋ΔＰ ｅｌ２ 、（１１）

要約すると、高いことに注意する必要があります。 効率指標電磁装置の効率的な動作を示します。 GOSTによれば、巻線とコアスチールの損失は経験または短絡によって決定され、それらを削減することを目的とした対策は、可能な限り最高の効率値を達成するのに役立ち、これが私たちが努力する必要があるものです。

実際には、どのような装置を使って行われる作業でも、作業の一部は機構の内部や個々の部品を動かすときに作用する摩擦力に抗して行われるため、常により有益な作業となります。 したがって、可動ブロックを使用して、ブロック自体とロープを持ち上げてブロック内の摩擦力に打ち勝つことで追加の作業を実行します。

次の表記法を導入しましょう: 有用な作業は $A_p$ で示され、合計作業は $A_(poln)$ で示されます。 この場合、次のようになります。

意味

効率係数（効率）完了した作業に対する有用な作業の比率と呼ばれます。 効率を文字 $\eta $ で表すと、次のようになります。

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\ \left(2\right).\]

ほとんどの場合、効率はパーセンテージで表され、その定義は次の式になります。

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\ \left(2\right).\]

仕組みを作るとき、効率を上げようとしますが、効率が1に等しい仕組み（ましてや複数）は存在しません。

したがって、効率とは、生産されるすべての作業のうち、有用な作業が占める割合を示す物理量です。 効率とは、エネルギーを変換または伝達して仕事を行う装置（機構、システム）の効率を評価するものです。

機構の効率を高めるには、軸の摩擦と質量を減らすことができます。 摩擦を無視できる場合、機構の質量が、たとえば機構を持ち上げる負荷の質量よりも大幅に小さい場合、効率は 1 よりわずかに低くなります。 この場合、行われる作業は有用な作業とほぼ同じになります。

力学の黄金律

仕事での勝利は単純な仕組みでは達成できないことを忘れてはなりません。

式 (3) のそれぞれの仕事を、対応する力とこの力の影響下で移動する経路の積として表現して、式 (3) を次の形式に変形します。

式 (4) は、単純なメカニズムを使用すると、移動中に減少する分だけ体力が増加することを示しています。 この法則は力学の「黄金律」と呼ばれています。 このルールは、古代ギリシャでアレクサンドリアのヘロンによって策定されました。

このルールは摩擦力に打ち勝つ仕事を考慮していないため、近似値です。

エネルギー伝達効率

効率は、実装に費やされるエネルギー ($Q$) に対する有用な作業の比率として定義できます。

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\cdot 100\%\ \left(5\right).\]

熱機関の効率を計算するには、次の式を使用します。

\[\eta =\frac(Q_n-Q_(ch))(Q_n)\left(6\right),\]

ここで、$Q_n$ はヒーターから受け取った熱量です。 $Q_(ch)$ - 冷蔵庫に伝わる熱量。

カルノー サイクルに従って動作する理想的な熱エンジンの効率は次のとおりです。

\[\eta =\frac(T_n-T_(ch))(T_n)\left(7\right),\]

ここで、$T_n$ はヒーター温度です。 $T_(ch)$ - 冷蔵庫の温度。

効率の問題の例

例1

エクササイズ。クレーンのエンジンの出力は $N$ です。 $\Delta t$ に等しい時間間隔で、彼は質量 $m$ の荷物を高さ $h$ まで持ち上げました。 クレーンの効率はどれくらいですか?\textit()

解決。検討中の問題における有用な仕事は、質量 $m$ の荷重で物体を高さ $h$ まで持ち上げる仕事に等しく、これは重力に打ち勝つ仕事です。 これは次と同等です。

力の定義を使用して、荷物を持ち上げるときに行われる合計仕事量を求めます。

効率の定義を使用してそれを見つけてみましょう。

\[\eta =\frac(A_p)(A_(poln))\cdot 100\%\left(1.3\right).\]

式 (1.1) と (1.2) を使用して式 (1.3) を変形します。

\[\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%.\]

答え。$\eta =\frac(mgh)(N\Delta t)\cdot 100\%$

例 2

エクササイズ。 理想気体はカルノーサイクルを実行し、サイクルの効率は $\eta $ です。 一定温度のガス圧縮サイクルではどのような仕事が行われますか? 膨張中にガスによって行われる仕事は $A_0$ です

解決。サイクルの効率を次のように定義します。

\[\eta =\frac(A_p)(Q)\left(2.1\right).\]

カルノーサイクルを考えて、どの過程で熱が供給されるかを決めてみましょう(これが$Q$となります)。

カルノー サイクルは 2 つの等温線と 2 つの断熱で構成されているため、断熱過程 (過程 2-3 および 4-1) では熱伝達が存在しないとすぐに言えます。 等温過程 1-2 では熱が供給され (図 1 $Q_1$)、等温過程 3-4 では熱が除去されます ($Q_2$)。 式(2.1)より$Q=Q_1$であることがわかります。 等温プロセス中にシステムに供給される熱量 (熱力学の第一法則) は、すべてガスによる仕事に費やされることがわかっています。これは、次のことを意味します。

ガスは次のような有益な仕事をします。

等温プロセス 3 ～ 4 で除去される熱量は、圧縮仕事に等しい (仕事は負です) (T=const なので、$Q_2=-A_(34)$)。 その結果、次のようになります。

結果 (2.2) ～ (2.4) を考慮して式 (2.1) を変形してみましょう。

\[\eta =\frac(A_(12)+A_(34))(A_(12))\to A_(12)\eta =A_(12)+A_(34)\to A_(34)=( \eta -1)A_(12)\left(2.4\right).\]

条件 $A_(12)=A_0 なので、\ $最終的に次のようになります。

答え。$A_(34)=\left(\eta -1\right)A_0$

人生において、人は問題と変革の必要性に直面します。 他の種類エネルギー。 エネルギーを変換するように設計された装置は、エネルギーマシン（メカニズム）と呼ばれます。 たとえば、エネルギー機械には、発電機、内燃機関、電気モーター、蒸気エンジンなどが含まれます。

理論的には、あらゆる種類のエネルギーを別の種類のエネルギーに完全に変換できます。 しかし実際には、エネルギー変換に加えて、損失と呼ばれるエネルギー変換が機械内で発生します。 エネルギーマシンの完成度が成績係数（効率）を決定します。

意味

仕組み（機械）の効率機構に供給される総エネルギー (W) に対する有効エネルギー () の比率と呼ばれます。 通常、効率は文字 (イータ) で表されます。 数学的形式では、効率の定義は次のように記述されます。

効率は、A (総作業量) に対する比率 (有用な作業量) として作業に関して定義できます。

さらに、電力比として求めることができます。

機構に供給される電力はどこにありますか。 - 消費者がメカニズムから受け取る電力。 式 (3) は別の方法で書くこともできます。

機構内で失われる動力の部分はどこですか。

効率の定義から、100% を超えることはできない (または 1 を超えることはできない) ことは明らかです。 効率が位置する区間: 。

効率係数は、機械の完成度を評価するだけでなく、あらゆる機械の有効性を判断する際にも使用されます。 複雑な仕組みエネルギーを消費するあらゆる種類のデバイス。

彼らは、無駄なエネルギーの損失が最小限に抑えられるよう、あらゆる仕組みを作ろうとします ()。 この目的のために、摩擦力（さまざまな抵抗）を減らすことが試みられています。

機構接続の効率化

構造的に複雑な機構（装置）を考える場合、構造全体の効率と、エネルギーを消費・変換するすべての部品や機構の効率が計算されます。

直列に接続された n 個の機構がある場合、システムの結果として得られる効率は、各部分の効率の積として求められます。

メカニズムが並列に接続されている場合 (図 1) (1 つのエンジンが複数のメカニズムを駆動する)、有用な仕事は、システムの個々の部分の出力における有用な仕事の合計です。 エンジンによって費やされる仕事量が と表される場合、この場合の効率は次のように求められます。

効率単位

ほとんどの場合、効率はパーセンテージで表されます。

問題解決の例

例 1

エクササイズ 機械の効率が次の場合、質量 m のハンマーを 1 秒間に n 回高さ h まで持ち上げる機構の力はいくらですか?
解決 電力 (N) は、次の定義に基づいて求めることができます。

条件（ハンマーが1秒間にn回上がる）に周波数（）が指定されているので、時間は次のように求められます。

ジョブは次のように見つかります。

この場合、((1.2) と (1.3) を考慮して) 式 (1.1) は次の形式に変換されます。

システムの効率は等しいので、次のように書きます。

必要な電力は次のようになります。
答え

例 2

エクササイズ 傾斜面の長さ 、高さ h の場合、その効率はいくらになるでしょうか? 物体が特定の平面上で移動するときの摩擦係数は に等しくなります。
解決 絵を描いてみましょう。

問題を解決するための基礎として、次の形式で効率を計算する公式を採用します。

有用な作業は、荷物を高さ h まで持ち上げる作業です。

貨物を特定の平面に沿って移動させて配送するときに実行される作業は、次のようになります。

ここで、 は牽引力です。これは、物体にかかる力を考慮することでニュートンの第 2 法則から求められます (図 1)。

トピックの要約:

効率



プラン：

    導入
  • 1 熱機関の効率
  • 2 100%を超える効率
    • 2.1 ボイラー効率
    • 2.2 ヒートポンプとチラー
    • ノート
    文学

導入

効率 (効率) - エネルギーの変換または伝達に関連したシステム (デバイス、機械) の効率の特性。 これは、システムが受け取るエネルギーの総量に対する有効に使用されたエネルギーの比率によって決まります。 通常、ηで表されます: η = W Floor /W cym。 効率は無次元の量であり、多くの場合パーセンテージとして測定されます。 数学的には、効率の定義は次のように書くことができます。

,

どこ あ- 有用なエネルギー (仕事)、および Q- 消費されるエネルギー (仕事)。

エネルギー保存の法則により、効率は常に 1 より小さくなります (限界内では 1 に等しい)。つまり、消費したエネルギーよりも有益な仕事を得ることができません (ただし、下記を参照)。


1. 熱機関の効率

熱機関の効率- ヒーターから受け取った消費エネルギーに対するエンジンの完了した有用な仕事の比率。 熱機関の効率は次の式を使用して計算できます。

,

どこ Q 1 - ヒーター (燃料、熱源) から受け取る熱量、 Q 2 - 低温源（外部環境、オープンガスタービン内 - 外部環境から取り込まれた空気）に与えられる熱量。 カルノー サイクルに従って動作する熱機関は、最も効率が高くなります。


2. 効率は 100% 以上です

上で述べたように、現代のエネルギー節約の概念では、100% を超える効率を持つデバイスの存在は許可されていません。 このような装置は、第一種の永久機関である可能性があります。 熱力学の第一法則によれば、それは不可能ですが、今日に至るまで、そのような装置に関する報道（広告を含む）が存在します（たとえば、ポタポフ熱発生器は、電力を消費するよりも多くの熱を生成するとされています）。 これらの事実が確認されれば、物理学に革命が起こることになるが、何らかの理由でこれは観測されていない。

ただし、一部のデバイスは、消費するように設計されているよりも多くの有用なエネルギーを実際に生成することができます。


2.1. ボイラー効率

化石燃料ボイラーの効率は従来、より低い発熱量に基づいて計算されてきました。 燃焼生成物の水分は過熱蒸気の形でボイラーから排出されると考えられます。 凝縮ボイラーでは、この水分が凝縮され、その凝縮熱が有効利用されます。 低位発熱量に基づいて効率を計算すると、1 より大きくなる場合があります。 この場合、蒸気の凝縮熱を考慮して、より高い発熱量で計算する方が正確です。 ただし、そのようなボイラーの性能を他の設備のデータと比較するのは困難です。


2.2. ヒートポンプとチラー

加熱装置としてのヒートポンプの利点は、動作に消費されるエネルギーよりも多くの熱を受け取ることができることです。 同様に、冷凍機は、プロセスの組織化に費やされるよりも多くの熱を冷却端から取り除くことができます。

このような熱機関の効率は次のような特徴があります。 成績係数（冷凍機用）または 変換率（ヒートポンプ用）

,

どこ Q- コールドエンド（冷凍機）から取得される熱、またはホットエンド（ヒートポンプ）に伝達される熱。 あ- このプロセスに費やされる仕事 (または電力)。 逆カルノー サイクルには、このような機械にとって最良のパフォーマンス指標があります。つまり、パフォーマンス係数があります。

,

どこ T 1 , T 2 - ホットエンドとコールドエンドの温度、K. 明らかに、この値は任意に大きくすることができます。 実際に近づくことは困難ですが、それでも成績係数は 1 を超える可能性があります。 これは、考慮されるエネルギー (電気など) に加えて、ホットエンドから得られるエネルギーも有用な熱に変換されるため、熱力学の第一法則に矛盾しません。 ただし、広告出版物で時々行われるように、この指標を「効率」と呼ぶのは間違いです。


ノート

  1. ポタポフの渦熱発生器 - www.patlah.ru/etm/etm-24/a_energia/generator_potapova/generator_potapova.htm。 技術と手法の百科事典.
  2. 成績係数 - dic.academic.ru/dic.nsf/bse/147721/Refrigeration- 大ソビエト百科事典の記事

文学

  • ペリシキン A.V.物理。 中学1年生。 - バスタード、2005年。 - 192 p。 - 50,000部。 - ISBN 5-7107-9459-7。

この要約はロシア語の Wikipedia の記事に基づいています。 同期が完了しました 07/11/11 00:01:38
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