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

Что такое мощность двигателя и его кпд

Поддержка

Двигатель наизнанку: сравнение двигателей из Европы, Азии и России

Все познается в сравнении. Мы разобрали до винтика три электродвигателя из Европы, Азии и России, проанализировали уровень исполнения их основных узлов, качество сборки и теперь готовы рассказать о недостатках и преимуществах каждого образца, а также о том, на чем можно сэкономить, а на чем – не стоит.

Встречают по одежке

Первое, на что мы обратили внимание – надежность крепления щита к станине и удобство обслуживания. Лидером в этой номинации стал двигатель российского производства, у которого, в отличие от конкурентов, в силу особенности конструкции отсутствует резиновый уплотнитель на переднем щите, а значит – нет необходимости в его замене и использовании смазки.

Наиболее проблемным оказался двигатель из Азии. В результате небрежности краска попала на резиновую прокладку крышки коробки выводов, а это ухудшает ее эластичность, снижает уровень защиты оболочки от воздействий окружающей среды (IP), и есть риск, что электродвигатель, работая, как пылесос, будет втягивать через неплотные соединения пыль и влагу.

Азиатский мотор проигрывает и в том, что на нем установлена коробка выводов из штампованной стали. Резьбовая часть для крепления крышки здесь короткая, и после нескольких затяжек резьба может «слететь». У образцов российского и европейского производства коробка выводов и ее крышка более надежные – литые.

Размер имеет значение

Отечественные производители, опираясь на достижения советской школы в области оптимизации электромагнитных параметров, делают большие диаметры бочки ротора, чем те, кто осуществляет еврораскрой электротехнической стали: мощность двигателя прямо пропорциональна квадрату диаметра бочки ротора. Соответственно, увеличиваются сервис-фактор и максимальный момент. Больший диаметр вала исключает возможность прогиба, что обеспечивает равномерность воздушного зазора, а следовательно, уменьшает шум и вибрацию.

Диаметр подшипников у российского двигателя тоже больше, чем у зарубежных конкурентов. Это означает, что его подшипниковый узел может выдерживать большие нагрузки.

Экономия или качество

Двигатели из России и Европы отличаются более высоким коэффициентом заполнения паза медью. Благодаря увеличению эквивалентной теплопроводности паза обмотка не перегревается. В азиатском двигателе пазы «дозаполнены» деревянными щепками. Это позволяет существенно сэкономить на материале, но крайне негативно сказывается на качестве изоляции в целом, поскольку в процессе эксплуатации под воздействием различных факторов, особенно высоких температур, деревянная щепа может быстро иссохнуть и растрескаться. Соответственно, снижается плотность заполнения паза, возрастает вероятность повреждения обмотки.

Преимуществом двигателей российского и европейского производства является также высококачественная пропитка компаундом.

Говоря о качестве и надежности исследуемых образцов, надо отметить, что станины двигателей, сделанных в Азии и Европе, имеют внутренний замок. Вследствие этого стружка при механической обработке может попасть в обмотку и на замок статора, появятся перекосы при установке подшипниковых щитов, которые неизбежно повлекут за собой выход подшипников из строя.

Скупой платит дважды

По качеству российские электродвигатели соответствуют европейским и при этом отличаются более доступной ценой. Азиатские аналоги еще дешевле, но они не могут составить конкуренцию по качеству за счет экономии на используемых материалах.

Цена напрямую зависит от применяемых компонентов и затраченных материалов. Золотое правило для двигателей до 132-й высоты оси вращения включительно: качество можно определить по доле меди в общем весе машины, чем её больше — тем лучше!

Самый главный фактор при выборе машины – энергоэффективность. Высокая энергоэф-фективность снижает затраты на электроэнергию, которые составляют основную долю стоимости владения электродвигателем. Поэтому более высокая стоимость энергоэффективной электрической машины окупается в процессе эксплуатации. Не стоит забывать, что в цене также заложены издержки на материалы и комплектующие, а качественные компоненты не могут стоить дешево.

СЧИТАЕМ РЕАЛЬНЫЕ ЗАТРАТЫ

Доля цены в стоимости владения

Время безотказной работы общепромышленного электродвигателя 315-й высоты оси вращения мощностью 160 кВт по техническим условиям составляет 20 000 часов, его цена равна 203 280 руб., КПД — 95,3%. Среднюю стоимость электроэнергии возьмем равной 4 руб./кВт.

20 000 х 160 : 0,953 x 4 + 203 280 = 13 634 550 руб.

Стоимость владения этим двигателем в течение 20 000 часов составит больше 13 600 000 рублей.

Как видно из данного расчета, стоимость покупки двигателя составляет всего лишь 1,5% от совокупных затрат за срок его безотказной работы.

Что выбрать — IE1 или IE2

Сравним общепромышленные двигатели IE1 и IE2 классов энергоэффективности с одинаковой мощностью в 18,5 кВт.

Двигатель класса IE1 обладает КПД в 89,3%, а класса IE2 – 91,5%. Разница в цене при покупке этих двигателей – 5 390 рублей. Казалось бы, различие в 2,2% КПД не столь существенно для такой малой мощности, однако разница в цене при покупке электродвигателя класса IE2 возвращается менее чем через 4 месяца:

(18,5 : 0,893 – 18,5 : 0,915) х 4 = 1,99 руб.
1,99 руб. в час экономит двигатель IE2, по сравнению с двигателем IE1.
5390 / 1,99 = 2708 часов = 3 месяца и 20 дней

3 месяца и 20 дней – срок возврата разницы в цене между двигателями класса IE2 и IE1. Более того, за 20 000 часов безотказной работы электродвигатель класса IE2, по сравнению с двигателем IE1, сэкономит 39 800 руб. на электроэнергии. А это значит, заработает больше, чем на новый аналогичный электродвигатель.

Энергоэффективные двигатели класса IE2 в среднем окупают свою стоимость менее чем за 2 года.

Как качество топлива влияет на экономичность двигателя.

Вы наверно обратили внимание, что в последнее время все авто любители жалуются на очень большой перерасход Бензина? Причем жалуются даже владельцы новых автомобилей, которые только выехав из автосалона начинают потреблять бензина больше указанных заводом изготовителем значений. Давайте разбираться почему это происходит.

Топливо воспламеняется и горит в камере сгорания неравномерно: быстрее всего горит топливо, находящееся ближе к поверхности раскалённого металла камеры сгорания. Скорость горения топлива по металлу в камере сгорания в 3 раза быстрее, чем в остальном объёме. Поэтому, часть топлива в объёме сгорать не успевает (до 25%) и на такте выпуска с выхлопными газами выходит в атмосферу. А это и есть перерасход топлива (до 25%) из-за того, что топливная смесь сгорает не полностью.

Из-за неравномерности горения возникают следующие проблемы:

— повышенное нагарообразование, коксовые и смольные отложения на деталях цилиндропоршневой группы.

— закоксовка поршневых колец

— повышенная детонация; прогар выпускных клапанов;

— низкий КПД двигателя и повышенный расход топлива;

— повышенный температурный режим, ведущий к перегреву металла камеры сгорания и, как следствие, ускоренный износ.

Что влияет на полноту сгорания топлива ?

Различие химического состава топлива оказывает существенное влияние на процессы смесеобразования и сгорания бензовоздушных смесей в двигателе и тем самым определяет параметры мощности, топливной экономичности и токсичности отработавших газов.

Исследования проведенные кафедрой ДВС СПбГПУ показали, что для топлив с одинаковыми октановым числами, изменение химического состава топлив может дать весьма значительную разницу в выходных показателях бензинового ДВС. По мощности различие может составить до 6 % , а по эффективному КПД до 9%.

Особенно велико различие в показателях токсичности. Так, по компонентам СН и NОx оно может составлять до 20…25 % .

Читать еще:  Горит датчик неисправности двигателя рено логан

Влияние химического состава топлива на параметры работы двигателя внутреннего сгорания проявляется через изменение следующих показателей топлива:

Во-первых, с изменением состава топлива изменяется его теплотворная способность. Особенно заметно понижение теплотворной способности топлив на бензинах с высоким содержанием таких октаноповышающих присадок как МТБЭ. Сейчас Технологический Регламент (ТР ТС 013/ 2011) разрешает содержание МТБЭ в бензинах до 15%.. но при превышении его содержания более 7% значительно снижается теплотворная способность бензина. Изменение теплотворной способности наиболее значимо влияет на параметры мощности и топливной экономичности бензинового двигателя.

В-вторых, состав топлива существенно меняет скорость и полноту сгорания топлива. Наименьшими скоростями сгорания обладают топлива с высоким содержанием полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Наличие в бензинах связанного кислорода повышает скорость и полноту сгорания. Эти параметры определяют изменение как экономических характеристик двигателя, так и содержания токсичных компонент, особенно остаточных углеводородов СН и оксидов азота NOx при использовании различных бензинов. К сожалению, сейчас Технологический Регламент (ТР ТС 013/ 2011) не нормирует содержание в бензинах полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).

В-третьих, бензины различного химического состава могут существенно отличаться по плотности. Этот параметр ранее действующими ГОСТами нормировался и должен был находиться в диапазоне 720…775 кг/м3. Однако в новом Техническом регламенте эта норма отсутствует. А ведь плотность топлива для реального двигателя имеет принципиальное значение. Все дозирующие элементы системы топливоподачи настроены на объемные расходы топлива. Значит масса топлива поданного в камеру сгорания на одних и тех же режимах для разных бензинов будет отличаться в зависимости от плотности топлива. Это в свою очередь меняет состав топливовоздушной смеси, причем в достаточно широком диапазоне, чтобы оказать существенное влияние на работу двигателя, особенно на высоких нагрузках.

В-четвертых, от химического состава топлива существенно зависит его фракционный состав, что в свою очередь влияет на его испаряемость, что в свою очередь влияет на легкость запуска двигателя, особенно в холода..

В-пятых, химический состав топлив оказывает значительное влияние на фактическую детонационную стойкость бензинов. Проведенные исследования показывают, что даже при весьма близких значениях октановых чисел, пределы детонации в реальных условиях сильно зависят от состава топлив, метода получения заданного октанового числа, наличия или отсутствия оксигенатов.

Так, при испытаниях разных бензинов имеющих одинаковое октановое число-92 было отмечено различие в нагрузке на двигатель, при которой фиксировались детонационные стуки, на 12…17 % в зависимости от состава бензина и скоростного режима работы двигателя. Этот эффект особенно влияет на характеристики впрысковых ДВС, где фактор детонации является одним из сигналов для системы управления, которая меняет алгоритм работы системы зажигания.

Из основных параметров состава бензинов влияние на выходные показатели двигателя в большей степени оказывают содержание ароматических углеводородов и оксигенатов, а также наличие или отсутствие моющих присадок.

Максимальную мощность и экономичность получают при содержания ароматических углеводородов порядка 40 %, т. е. в зоне бензинов класса К-3 (“Евро-3”). Минимум токсичности отработавших газов наблюдается при уменьшении содержания ароматики до уровня 30…32 %, т. е. в зоне бензинов класса К-4 (“Евро-4”). Дальнейшее снижение содержания ароматических углеводородов не приводит к существенному улучшению экологических показателей двигателя, но значительно ухудшает мощностные.

Кроме того, топлива с низким содержанием ароматических углеводородов (менее 30 %) и оксигенатов чаще всего характеризуются низкой плотностью, что существенно меняет состав топливовоздушной смеси, уводя его в зону неэффективных регулировок. Повышенные же концентрации ароматических углеводородов (более 45 %) существенно снижают скорость и полноту сгорания топлива.

Что поможет экономить топливо?

Активатор Топлива «Моторесурс» повышает полноту сгорания топлива, что приводит к его экономии (до 15%).

Активатор Топлива «Моторесурс» — это препарат новейшего поколения, относящийся к классу катализаторов горения.

Попадая в топливо Активатор Топлива «Моторесурс» связывает воду, которая находится в топливе (напр. конденсатная вода) и превращает молекулу воды в активного участника процесса горения топлива. Это позволяет обеспечить плавно нарастающее давление на поршень, исключая ударные нагрузки, что увеличивает ресурс двигателя. Образованные радикалы Н+, Н-, ОН-, О -, О+, и т.д. «заряжают» топливо и способствуют его предокислению (повышается октановое, цетановое число). В самом топливе катализаторы Активатора Топлива «Моторесурс» разрушают бензольные кольца ароматических углеводородов – происходит более полное сгорание топлива, что повышает мощность и КПД двигателя, снижает расход топлива и токсичность выхлопных газов. Сера, находящаяся в топливе, полностью сгорает, не создавая соединений, которые откладывались бы на стенках камеры сгорания. При применении Активатора Топлива «Моторесурс» повышается мощность, двигатель становится менее чувствительным к качеству топлива, увеличивается ресурс топливной аппаратуры и двигателя в целом.

С целью экономии топлива и снижения нагарообразования в двигателе мы рекомендует использовать Активатор Топлива «Моторесурс» при каждой заправке

.Используя Активатор Топлива «Моторесурс» Вы не тратите деньги, Вы их экономите, ведь экономия топлива существенно превышает цену самого Активатора Топлива. А если учесть, что Активатор Топлива защищает двигатель от суррогатного топлива, то польза от его применения несомненна!

Каков КПД автомобиля?

Каков КПД автомобиля?

Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал», – скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %.

А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг. При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе.

Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.

Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности

А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %!

Читать еще:  120 двигатель ваз технические характеристики

А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов.

Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери.

Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.

Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию!

На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля. Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу.

Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии. Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться.

Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

1. Ошибки при покупке автомобиля

1. Ошибки при покупке автомобиля Театр начинается с вешалки, а самостоятельный автомобильный опыт – с приобретения собственной машины. И вот тут-то, в самом, казалось бы, безобидном месте, подстерегает «засада». И даже не одна.А ведь результат неверного выбора весьма

Охрана автомобиля

Охрана автомобиля Охрана свежеприобретенного автомобиля – момент, который нужно рассматривать отдельно, несмотря на то, что он непосредственно связан с покупкой. Однако многие водители-новички, решив вопрос с приобретением автомобиля, спотыкаются именно на

Проблемы долговечности автомобиля

Проблемы долговечности автомобиля Долголетие автомобиля зависит от количества пройденных им километров пути, срока службы, условий эксплуатации. Не менее важным фактором является и техническое обслуживание.Со временем двигатель автомобиля, его рулевое управление,

О токсичности автомобиля

О токсичности автомобиля Содержание в отработавших газах окиси углерода (СО) и углеводородов (СН) при работе двигателя проверяют в режиме холостого хода.Предельно допустимая концентрация СО и СН в отработавших газах в автомобилях с карбюраторными двигателями не должна

Ресурс деталей автомобиля

Ресурс деталей автомобиля При эксплуатации автомобиля с пробегом свыше 50 тыс. км возможны неисправности, характерные для машин любой марки старого выпуска: может выйти из строя трос привода сцепления, оборвавшийся в зоне регулировочной муфты, может наступить полный

«СЕЙ ТРУД ВЕСЬМА НЕСОВЕРШЕН, НО КАКОВ ЕСТЬ»…

«СЕЙ ТРУД ВЕСЬМА НЕСОВЕРШЕН, НО КАКОВ ЕСТЬ»… Когда я начал собирать материалы об одних из известнейших кораблей 50-х годов – эсминцах проекта 56, то считал, что по ним у всех всё есть. Но при ближайшем рассмотрении оказалось, что там, где должны быть завалы информации, зияет

Общее устройство автомобиля

Общее устройство автомобиля Все автомобили, в независимости от особенности своей конструкции состоят из трех основных частей:1. двигателя,2. кузова,3. шасси.Двигатель – это главная движущая сила автомобиля, источник механической энергии. В двигателе тепловая энергия

Водитель автомобиля

Водитель автомобиля Кто же такой водитель автомобиля. В справочниках мы найдем такой ответ: водител ь – человек, управляющий легковыми и грузовыми автомобилями и автобусами всех типов и марок.Водителю автомобиля мало знать правила движения, необходимо контролировать

Общее устройство автомобиля

Общее устройство автомобиля Все автомобили, в независимости от особенности своей конструкции состоят из трех основных частей:1. двигателя,2. кузова,3. шасси.Двигатель – это главная движущая сила автомобиля, источник механической энергии. В двигателе тепловая энергия

Общее устройство автомобиля

Общее устройство автомобиля Все автомобили, в независимости от особенности своей конструкции состоят из трех основных частей:1. двигателя,2. кузова,3. шасси.Двигатель – это главная движущая сила автомобиля, источник механической энергии. В двигателе тепловая энергия

Движение автомобиля в колонне

Движение автомобиля в колонне Автомобильной колонной называется группа автомобилей, выполняющих общую задачу и движущаяся по одному маршруту, под единым руководством.Перевозку некоторых грузов нужно производить в колонах (группами автомобилей Основной принцип

Общее устройство автомобиля

Общее устройство автомобиля Все автомобили, в независимости от особенности своей конструкции состоят из трех основных частей:1. двигателя,2. кузова,3. шасси.Двигатель – это главная движущая сила автомобиля, источник механической энергии. В двигателе тепловая энергия

Общее устройство автомобиля

Общее устройство автомобиля Все автомобили, в независимости от особенности своей конструкции состоят из трех основных частей:1. двигателя,2. кузова,3. шасси.Двигатель – это главная движущая сила автомобиля, источник механической энергии. В двигателе тепловая энергия

Читать еще:  Что такое турбо двигатель и турбонаддув

Каков в колыбельку…

Каков в колыбельку… Каждый ребенок — изобретатель: иначе в детстве было бы очень скучно. То и дело малыш слышит от взрослых: «Не трогай!», «Оставь это в покое!», «Мал еще, сказала — вырасти!» Взрослые тщательно оберегают от детей свой мир, свои вещи. Детям предоставлены

Что такое эффективность. Разбираемся, что такое КПД

КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как «инфракрасные обогреватели», поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.

(Бес)полезное тепло

Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.

Схожим примером может служить автомобильная «печка»: она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.

Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.

Много или эффективно?

Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом — неподходящую мощность.

Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении — от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.

Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.

Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.

Эффективно или дешево?

Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример — светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным «энергосберегайкам». Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.

Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.

Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств — солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.

Не по общим правилам

Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.

Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.

В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.

Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.

Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях «Аполло», и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.

Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства — с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.

Алексей Тимошенко

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector