Формулы кпд: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

КПД солнечной батареи – что это?

Всем прекрасно известно, что чем больше коэффициент полезного действия, тем лучше. Это правило распространяется и на КПД солнечных батарей. Благодаря новым технологиям и способам производства КПД фотоэлементов постоянно растет, правда очень медленно, но главное — прогресс не стоит на месте.

Ниже приведен график достижений эффективности разных производителей, с течением времени. Начиная с середины и до самого верха — полупроводники разрабатывались для новых рекордов и космических задач, стоимость соответствующая. Все что ниже уже доступно и реально приобрести в наше время.

Всем известно про КПД, но мало кто понимает откуда берутся эти значения в процентах и как они рассчитываются.  Давайте попробуем разобраться.

Как правило, завод изготовитель указывает эффективность своих собранных модулей и эффективность отдельных солнечных элементов, из которых состоит солнечная батарея.

 Эти параметры, как и другие характеристики, указываются при так называемых стандартных условиях — STS, основными из них является инсоляция 1000Вт/м² и температура элементов 25°С при которых и снимаются технические характеристики, в том числе и эффективность.

В настоящее время добросовестные изготовители стали  тестировать каждую произведенную ими солнечную батареи после сборки и делать распечатку индивидуальных параметров, которую вкладывают к каждой батарее. Делается это для подтверждения качества своих изделий.

Ниже приведена распечатка одной из солнечных батарей SY-100 от Suoyang energy:

Каждый модуль имеет свои индивидуальные характеристики. Если взять две одинаковые панели одной модели они все равно будут иметь немного разные параметры.

Солнечные батареи данного производителя имеют положительную толерантность, в итоге мы имеем  104,617 Вт и эффективность 15,74% (отдельный элемент 18,7%). Как он получил это значение?

Формула расчета эффективности солнечных батарей выглядит следующим образом:

КПД = Pсб/Sсб/10, где:

Pсб – мощность СБ;

Sсб – площадь СБ.

Подставим значения в формулу:

КПД = 104,617/(1,2*0,554)/10 = 15,74%

Все сходится, но возникает еще один вопрос: почему тогда КПД отдельных фотоэлементов выше? Ответ прост – все дело в том, что солнечная батарея состоит из множества фотоэлементов и между ними есть небольшое расстояние, которое не используется для выработки энергии, плюс алюминиевая рама тоже «занимает место», соответственно площадь увеличивается, а КПД при этом снижается.

Ниже приведены фотографии и видео некоторых попыток получения большей эффективности фотоэлементов, с помощью создания элементов сложной формы, принудительного охлаждения солнечных элементов и фокусирования света с помощью линз. Возможно новинки хорошо покажут себя, их пустят в массовое производство, и они станут доступными для нас с вами.

Это гибридная солнечная батарея Vitru, в борьбе за эффективность производитель борется с нагревом элементов. Вода в колбе охлаждает элементы, в следствие чего не снижается напряжение и не падает мощность.

Новинка пока не продается и находится в стадии тестирования, но как заявляет V3Solar, весь секрет в конусной форме и вращения конструкции, благодаря этому ячейки не успевают нагреваться и КПД не снижается в течении всего дня.  

Видео наглядно демонстрирует в чем заключается смысл задумки:

В отличие от предыдущих идей, борющимися с повышением температуры, эта конструкция в виде шара от Beta Torics, достигает производительности 35% благодаря концентрированному солнечному свету.

Самодельный концентратор из подручных средств, смысл как и в предыдущей установке в виде шара — усиление света, но тут все гораздо проще:

 

Комментарий автора: Линза заполненная водой имеет размер почти 75 сантиметров в диаметре. Солнечный свет проходя сквозь линзу концентрируется с такой силой, что моментально воспламеняет дерево. Максимальная эффективность достигается в летний полдень, когда солнце находится в зените. Линза выполнена из кристально чистого хлористого винила. Линза концентрирует около 500 Вт солнечной энергии и направляет в точку диаметром 2 см с рассеиванием около 7-15 см.‏

Читайте также:

Расчет мощности солнечных батарей

Разновидность солнечных батарей

 

КПД солнечных панелей — Формулы, расчеты, способы повышения

То что за альтернативной энергетикой и, в частности, солнечными электростанциями будущее, вряд ли у кого вызывает сомнения. Тем не менее потенциальных покупателей всегда интересует вопрос — каков коэффициент полезного действия (КПД) солнечных батарей и как его увеличить? На данный момент эффективность солнечных панелей близка к 22%, и учёные-практики работают над тем, чтобы повысить этот показатель. По сути, именно этот показатель напрямую влияет на то, сколько электроэнергии батарея принесёт в ваш дом. 

Что такое КПД солнечных батарей

Практики считают, что КПД упомянутых устройств лучше всего определять как процентное соотношение энергии, которую отдаёт гелиосистема, к той энергии света Солнца, “впитываемого” рабочей площадью ваших панелей. Нужно признать что этот показатель, обычно измеряемый в процентах, за последние 50-60 лет увеличился лишь вчетверо. Хотя признаётся, что их потенциал близок к 90%. Отчего не все 100%? Дело в том, что на эффективность солнечных батарей напрямую влияет несколько факторов:

• Характер атмосферных явлений (попросту, погода).

• Физические свойства материалов, из которых сконструировано устройство, предназначение которого — улавливать максимально широкий диапазон спектра излучения Солнца.

• Фундаментальные принципы работы полупроводников.

По причинам, указанным выше, КПД солнечных батарей в прошлом году составлял:

1. До 5%, если покупатель отдал предпочтение недорогим плёнкам на аморфном кремнии.

2. От 10% до 18%, если покупатель отдал предпочтение современным гибридным плёночным решениям, использующим соединение 2-х и более редкоземельных элементов.

3. От 16% до 19%, если покупатель отдал предпочтение модулям из моно- и поликристаллического кремния. Для этого типа панелей характерны потери энергии, связанные с отражением света от самого устройства или его нагревания. Кроме того монокристаллические электростанции более эффективны, но обходятся дороже.

4. Почти 50%, если покупатель решился приобрести недешёвые многослойные прототипы устройств с дополнительными конструкциями для улавливания солнечных лучей.

Формула расчета эффективности солнечных панелей

Эффективность использования солнечных панелей вычисляется следующим образом:

1. На исследуемую панель направляют контролируемый свет.

2. При помощи устройства под названием люксметр фиксируется уровень излучения на площадь каждого отдельного блока в солнечной панели.

3. Фиксируется среднее арифметическое, далее фотометрические показатели переводятся в энергетическую систему координат.

4. Полученный показатель (Ecp) отмечается, после чего исследуется площадь модульного “кирпича”. При её умножении на среднее арифметическое солнечной радиации, падающей на “кирпич”, исследователь получает общий для модуля показатель энергии. К примеру, 20 Вт.

5. Далее при включённой в электросеть батарее исследуют показатель того, насколько мощный ток она выдаёт.

   Уровень технологичности батареи пропорционален тому, что получается “на выходе”. К примеру, солнечная батарея с вымышленным КПД 50% даст ток 10 Вт. 

Представим для удобства читателей эти данные в виде таблицы:

Мощность светопотока, Вт	Мощность “на выходе”, Вт	КПД, %
20	2	10
20	4	20
20	10	50
20	…	…
20	50	100 (несуществующий идеал)

 

Факторы, влияющие на эффективность солнечных батарей

Важно понимать, что этот вопрос необходимо разделить на два блока — качество самих модулей и климатические параметры, в которых используется электростанция.  Если использовать простой язык, то эффективность солнечных панелей прямо пропорциональна эффективности работы полупроводников, чьи функции базируются на физических принципах pn-переходов. КПД солнечных батарей, изготовленных из кремния, достаточно невысок. Причина известна — упомянутый материал улавливает исключительно инфракрасный сегмент света. Энергия ультрафиолетового излучения для него остаётся недоступной. Однако отказаться от кремния невозможно из-за его доступной цены. Иные факторы, влияющие на эффективность устройства, не зависят от характеристик материалов и связаны с атмосферными условиями и обслуживанием устройств.

• Чистота поверхностей панели. Энергия, отдаваемая вашему дому гелиосистемой, зависит от чистоты рабочих поверхностей панелей. Ввиду этого, как правило, они устанавливаются таким образом, чтобы дождевые потоки, снег и грязь естественным образом смывались с конструкции.
• Тень. Если выбрано решение, подразумевающее несколько панелей, тень от любого из них не должна падать на соседнюю батарею. Иначе коэффициент полезного действия будет стремительно падать. То же самое касается и тени от ближайшей инфраструктуры — столбов, вышек, деревьев, соседских построек и так далее. Возводить солнечные батареи в этом случае категорически не рекомендуется.  
• Погода. Использование гелиосистемы зимой по причине короткого дня и длинной ночи, а также неинтенсивных солнечных лучей в случае пасмурной погоды, менее эффективно. Летом КПД оборудования достигнет 14-15% (жара “съест” 2-3%), зимой — 18-19%. При этом осадки незначительно воздействуют на работу устройств: КПД панелей при наличии облаков снижается на максимум 25% (роль играет плотность облаков). Большинство батарей работает в диапазоне от -40 до +80 градусов по Цельсию. Правило таково: чем ниже температура, тем выше производительность. 25 градусов по Цельсию — наилучшая среда для работы оборудования. 
• Вектор доставки света. Панели необходимо располагать так, чтобы они “впитывали” максимум радиации Солнца. Разумеется, юг — лучшая сторона для инсталляции электростанции. Зимой необходимо немного батареи приподнять, летом — опустить.
• Ночь. На данном этапе это неустранимый фактор. В отсутствие света конструкции не функционируют, а их собственники берут свет из общей сети или аккумуляторов. Хотя нужно упомянуть особый вид всепогодных панелей, созданных китайскими учёными в 2017 году; они работают круглосуточно и, соответственно, существенно повышают окупаемость устройства.

Если говорить об Украине, то чем южнее установлены электростанции, тем они эффективнее. Кроме того, восток страны более освещён, нежели её запад. В итоге, лучшее место для установки батарей — это Крым и южная часть Одесской области. Во всех остальных регионах наиболее продуктивны шесть месяцев — с мая по август. И пару слов о панелях, бывших в употреблении. Не рекомендуется их приобретать, поскольку их мощность будет ниже заявленной. Новые панели более эффективны и экономически целесообразны.  

Способы увеличения КПД

Разумеется, первый шаг в этом направлении — это корректировка подвластных пользователю факторов, влияющих на эффективность электростанцией — тени, грязи и так далее. Кроме того, у силиконовых фотоэлементов — основы для самых распространённых панелей — есть определённый срок службы. Ещё говорят, что они “деградируют” и теряют производительность. Уже сейчас мировые учёные работают над так называемым “базовым КПД” — уровнем неизменной эффективности. Этот показатель постоянно растёт. Крыша вашего дома, где вы запланировали разместить батареи, может для этого не подходить. Тогда придётся установить их на специальную опору, которая даже позволяет элементам крутиться вслед за солнцем (благодаря поворотному трекеру). Панели меняют не только угол, но и направление. По оценкам, установка одного поворотного трекера даёт сразу плюс 40-50% эффективности. Впрочем, он весьма дорог. На рынке существуют новые высокоэффективные (43,5%) пятислойные панели фирмы Sharp, четырёхслойные фирмы Soy-Tech (44,7%) и устройство в Институте интегральных схем Фраунхофера (Германия). В последнем учреждении эффективность батареи достигает фантастических 47% — это мировой рекорд. 

Если вы решили приобрести солнечную электростанцию, специалисты SUNSAY Energy готовы проконсультировать в удобное для вас время и посоветовать панель, идеально отвечающую вашим потребностям.

Доказана универсальность формулы для максимального КПД реальной тепловой машины

Сади Карно в XIX веке вывел формулу для максимального КПД идеальной тепловой машины с нулевой мощностью. Результат для реальных тепловых машин был получен в частном случае 30 лет назад. И только сейчас удалось доказать, что этот результат является универсальным законом неравновесной термодинамики.

Эффективность любого двигателя характеризуется его коэффициентом полезного действия, КПД. Чем выше КПД машины, тем больше полезной работы она производит при тех же самых энергозатратах.

Конечно, двигатели бывают очень сложные, однако их, как правило, можно разложить на отдельные простые рабочие блоки. Примером такого простого блока служит тепловая машина — двигатель, который работает исключительно на перепаде температур между горячим и холодным телами без использования каких-либо иных источников энергии. Так возникает один из ключевых вопросов энергетики: каким максимальным КПД может обладать тепловая машина при фиксированной температуре горячего (T₀) и холодного (T₁) тел?

В принципе, этот вопрос был решен еще в позапрошлом веке французским физиком Сади Карно. Его формула, давно вошедшая в школьные учебники, гласит:

Впрочем, столь высокий КПД достижим только в идеальном случае тепловой машины Карно, а она, к сожалению, обладает бесконечно малой мощностью и потому не представляет интереса для техники. В этом случае встает иной вопрос: каков максимальный КПД мощной тепловой машины?

Исчерпывающий ответ на этот, казалось бы, классический вопрос был дан буквально на днях. Автор статьи C. Van der Broeck, Physical Review Letters, 95 190602 (2 November 2005) на двух страницах доказал, что наибольший КПД максимально мощной тепловой машины составляет

Для сравнения: если тепловая машина нагревается за счет водяного пара, а охлаждается за счет льда, то КПД Карно составляет 27%, а КПД мощной машины равен всего 14%.

Интересно, что эта формула была выведена еще 30 лет назад, правда лишь для одного конкретного случая. Простота формулы наводила на мысль, что тот же результат верен и для других тепловых машин, но долгое время отсутствовало строгое доказательство этого предположения. Именно это доказательство и нашел бельгийский физик, превратив, таким образом, частный факт в новый универсальный закон линейной неравновесной термодинамики.

Игорь Иванов

Обобщение по теме «Простые механизмы»

1. Применение простого механизма позволяет выиграть в силе, но при этом происходит проигрыш в

1) пути, который проходит точка приложения малой силы
2) времени, которое необходимо для поворота механизма малой силой
3) скорости поворота механизма малой силой

2. Соотношение между действующими на простой механизм силами и путями, которые проходят точки их приложения, таково:

1) h3/h2 = ρ1/ρ2
2) F2/F1 = l1/l2
3) F2/F1 = s1/s2
4) F2/F1 = S2/S1

3. При использовании простого механизма работы, произведённые действующими на него силами, равны, так как пути, проходимые точками приложения этих сил

1) прямо пропорциональны силам
2) обратно пропорциональны силам
3) равны силам

4. «Золотое правило» механики свидетельствует о том, что

1) пользуясь простым механизмом, нельзя выиграть в работе
2) выигрывая в силе, можно произвести большую работу
3) прилагая меньшую силу, можно быстрее выполнить работу

5. На рычаг действуют уравновешивающие его силы F1 = 10 Н и F2 = 25 Н. При повороте рычага точка приложения силы F1 прошла путь 30 см. Какой путь прошла точка приложения силы F2?

1) 2,5 см
2) 3 см
3) 12 см
4) 1,2 см
6. Подвижным блоком поднят бак с краской весом 600 Н на высоту 8 м. С какой силой рабочему пришлось вытягивать свободный конец каната и какую работу он при этом совершил?

1) F = 300 Н; А = 2,4 кДж
2) F = 300 Н; А = 4,8 кДж
3) F = 150 Н; А = 4,8 кДж
4) F = 150 Н; А = 2,4 кДж

7. При подъёме груза по настилу длиной 5 м на высоту 2 м совершена работа, равная 500 Дж. Какого веса груз был поднят? Какая потребовалась для этого сила?

1) Р = 250 Н; F = 100 Н
2) Р = 100 Н; F = 250 Н
3) Р = 250 Н; F = 200 Н
4) Р = 100 Н; F = 200 Н

Новый подход к выполнению проверок электродвигателей с Fluke 438-II соответствует реальным условиям работы

Электродвигатели являются важнейшим элементом многих промышленных процессов, они потребляют до 70 % от общего количества энергии на промышленном предприятии и до 46 % от общего количества производимого электричества в мире. Учитывая то, насколько большую роль электродвигатели играют в промышленных процессах, стоимость простоев, связанных с их неисправностью, может измеряться десятками тысяч долларов в час. Обеспечение эффективной и надежной работы электродвигателей — это одна из наиболее важных задач, которую ежедневно решают технические специалисты и инженеры по обслуживанию.

Эффективное использование электричества — это не просто «полезно». Во многих ситуациях от энергоэффективности зависит, прибыльной или убыточной является компания. Поскольку электродвигатели потребляют на промышленных объектах такое значительное количество энергии, эффективность их использования стала основным фактором, от которого зависит экономия и поддержание рентабельности. Кроме того, желание обеспечить экономию посредством увеличения эффективности и снизить зависимость от природных ресурсов стимулирует многие компании применять такие промышленные стандарты, как ISO 50001. Стандарт ISO 50001 устанавливает основные положения и требования для организации, внедрения и поддержания системы управления энергопотреблением, призванной обеспечить постоянную экономию.

Традиционные методы проверки электродвигателей

Традиционный метод измерения производительности и КПД электродвигателей хорошо проработан, но его внедрение может быть связано с большими расходами, а реализация в рамках технологических процессов трудноосуществима. Для проверки производительности электродвигателя часто требуется полное отключение системы, что может привести к дорогостоящему простою. Чтобы измерить КПД электродвигателя, необходимо определить входную электрическую и выходную механическую мощности в широком динамическом диапазоне рабочих параметров. При измерении производительности электродвигателя традиционным методом техническим специалистам вначале необходимо установить электродвигатель на испытательный стенд. Испытательный стенд представляет собой проверяемый электродвигатель, закрепленный на генераторе или на динамометре. Затем вал тестируемого электродвигателя соединяется с нагрузкой. На валу закреплен датчик скорости (тахометр), а также комплект датчиков крутящего момента, на основании показаний которых выполняется расчет механической мощности. Система предоставляет различные параметры, в том числе скорость, крутящий момент и механическую мощность. Некоторые системы также позволяют измерить электрическую мощность и затем рассчитать КПД.

КПД вычисляется по формуле:

η (КПД) = Механическая мощность / Электрическая мощность

Во время проверки изменяются параметры нагрузки, что позволяет определять КПД для различных режимов работы.

Система испытательного стенда может показаться достаточно простой, однако с ее использованием связано несколько характерных недостатков:

1. Электродвигатель необходимо демонтировать с места установки.
2. Значения нагрузки электродвигателя не являются по-настоящему репрезентативными, поскольку не характеризуют параметры электродвигателя при эксплуатации.
3. Во время проведения проверки необходимо приостановить работу, что создает простой, либо взамен тестируемого необходимо временно установить другой электродвигатель.
4. Датчики крутящего момента отличаются высокой стоимостью и ограниченным рабочим диапазоном, поэтому для проверки различных электродвигателей может потребоваться несколько датчиков.
5. Испытательный стенд для тестирования широкого диапазона электродвигателей имеет высокую стоимость. Такие испытательные стенды обычно используются специалистами по ремонту электродвигателей или исследовательскими организациями.
6. Не учитываются «реальные» рабочие условия.

Параметры электродвигателей

Электродвигатели могут предназначаться для различных областей применения и нагрузок, поэтому характеристики каждого электродвигателя отличаются. Классификация характеристик осуществляется в соответствии со стандартами NEMA (Национальной ассоциации производителей электрооборудования) или IEC (Международной электротехнической комиссии). От этих характеристик напрямую зависят работа и КПД электродвигателя. На каждом электродвигателе закреплена паспортная табличка, на которой указаны основные рабочие параметры и информация о КПД электродвигателя в соответствии с рекомендациями NEMA или IEC. Указанные на паспортной табличке данные можно сравнивать с реальными характеристиками режима эксплуатации. Например, сравнивая эти значения, можно узнать, что электродвигатель превышает ожидаемые характеристики по скорости или крутящему моменту, что может привести к сокращению срока службы электродвигателя или к преждевременному выходу из строя. Снижение эксплуатационных характеристик электродвигателя могут также вызвать асимметрия напряжения или тока, а также гармоники, связанные с плохим качеством электроэнергии. При существовании какого-либо из этих условий необходимо «понизить номинальные параметры» электродвигателя, то есть облегчить режим его работы, что может привести к нарушению технологических процессов при недостаточной механической мощности. Понижение номинальных параметров рассчитывается по стандарту NEMA в соответствии с данными, указанными для данного типа электродвигателя. Стандарты NEMA и IEC несколько отличаются друг от друга, но в целом они придерживаются одинаковых положений.

Фактические условия эксплуатации

Тестируемые на стенде электродвигатели обычно работают в наиболее комфортных условиях. Во время реальной работы эти комфортные условия, как правило, обеспечить не удается. Непостоянство рабочих условий приводит к снижению производительности электродвигателя. Например, на промышленном предприятии могут быть нагрузки, оказывающие непосредственное влияние на качество электроэнергии и вызывающие асимметрию в системе или способные привести к появлению гармоник. Каждое из этих условий может серьезно повлиять на производительность электродвигателя. Кроме того, нагрузка, приводимая в движение электродвигателем, может быть неоптимальной или может не соответствовать изначальному предназначению электродвигателя. Нагрузка может быть слишком большой для данного электродвигателя, или возможна перегрузка вследствие плохого управления технологическими процессами или чрезмерного трения, вызванного наличием какого-либо постороннего предмета, блокирующего работу насоса или рабочего колеса вентилятора. Обнаружение этих аномалий может быть затруднено и потребовать много времени, вследствие чего эффективный поиск неисправностей становится проблематичным.

Новый подход

Анализатор качества электроэнергии и параметров электродвигателя Fluke 438-II обеспечивает модернизированный и экономичный способ проверки КПД электродвигателя, при этом нет необходимости в установке внешних механических датчиков и отсутствуют дорогостоящие простои. Прибор Fluke 438-II, созданный на основе анализаторов качества электроэнергии Fluke серии 430-II, оснащен полным набором функций для измерения параметров качества электроэнергии, а также механических параметров при прямом пуске электродвигателей от сети. 438-II на основе данных паспортной таблички электродвигателя (NEMA или IEC) и измеренных параметров трехфазного электропитания рассчитывает в реальном времени параметры электродвигателя, включая скорость, крутящий момент, механическую мощность и КПД, при этом использование дополнительных датчиков крутящего момента и скорости не требуется. Кроме того, 438-II непосредственно вычисляет коэффициент снижения мощности электродвигателя в режиме работы. Для выполнения этих измерений технический специалист или инженер должен ввести в прибор Fluke 438-II следующие данные: номинальную мощность в кВт или л.с., номинальное напряжение и силу тока, номинальную частоту, номинальный cos φ или коэффициент мощности, номинальный сервис-фактор, а также тип электродвигателя в соответствии с классификацией NEMA или IEC.

Принцип работы

Fluke 438-II выполняет механические измерения параметров (частоты вращения электродвигателя, нагрузки, крутящего момента и КПД) с помощью уникальных алгоритмов анализа формы электрических сигналов. Эти алгоритмы основаны на сочетании физических и управляемых данными моделей асинхронного электродвигателя. При этом не требуется выполнение предварительных проверок, которые обычно необходимы для измерения параметров электродвигателя, например, сопротивления статора. Скорость электродвигателя можно рассчитать на основе зубцовых гармоник ротора, присутствующих в сигналах тока. Крутящий момент на валу электродвигателя можно описать с помощью значений напряжения, силы тока и скольжения асинхронного электродвигателя, используя хорошо известные, но сложные физические формулы. Электрическая мощность измеряется с помощью осциллограмм входного тока и напряжения. При получении расчетных значений крутящего момента и скорости механическая мощность (или нагрузка) вычисляется из произведения крутящего момента на скорость. КПД электродвигателя вычисляется путем деления рассчитанной механической мощности на измеренную электрическую мощность. Компания Fluke провела обширные испытания на тестируемых электродвигателях, приводящих в движение динамометры. Для определения погрешности измеренные значения фактической электрической мощности, крутящего момента на валу электродвигателя, а также скорости сравнивались с показаниями прибора 438-II.

Заключение

Традиционные методы измерения параметров и КПД электродвигателей тщательно проработаны, но не всегда широко используются. В значительной степени это объясняется тем, что для выполнения проверок требуется отключение электродвигателей, а иногда и целых систем, приводящее к большой стоимости простоя производства. Прибор Fluke 438-II предоставляет чрезвычайно полезную информацию, которая ранее была труднодоступной и дорогостоящей. Кроме того, наличие на приборе Fluke 438-II передовых функций по анализу качества электроэнергии позволяет измерять качество электроэнергии в реальном режиме работы системы. Измерение важных параметров для определения КПД электродвигателя стало проще, поскольку не требуется использование отдельных внешних датчиков крутящего момента и скорости, благодаря чему можно анализировать производительность самых распространенных промышленных процессов с электроприводом, не прерывая их выполнения. Это позволяет техническим специалистам сократить время простоя, а также отслеживать изменения параметров электродвигателя во времени и получить более полную картину общего состояния системы и ее характеристик. Отслеживание графиков параметров позволяет увидеть изменения, которые могут быть признаком надвигающегося отказа электродвигателя, и заменить его до выхода из строя.

Задание №12 ЕГЭ по физике 🐲 СПАДИЛО.РУ

---

Молекулярно-кинетическая теория

---

Задание №12 в ЕГЭ по физике — последнее тестовое задание на тему термодинамики.

---

Теория к заданию №12 ЕГЭ по физике

---

КПД тепловой машины

Тепловая машина, или тепловой двигатель, представляет собой устройство, используемое для совершения механической работы механизмами (мотоциклами, автомобилями и др.). В самом общем виде это происходит так: в устройство подается топливо, внутренняя энергия которого преобразуется в механическую энергию. Работа при этом совершается за счет расширения газа (рабочего тела), возникающего при повышении его температуры при сгорании топлива. Повторяющийся круговой процесс такого плана, реализуемый в тепловых машинах, называют циклом Карно. Коэффициент полезного действия (КПД) – это величина, показывающая эффективность функционирования механизма. КПД обозначают греческой буквой ɳ («эта»). Вычисляется КПД так: где Т₁ – температура нагревателя, Т₂ – температура холодильника. Выражение Q₁–Q₂называют полезной работой, т.е. Q₁–Q₂=А_п. Поэтому КПД можно выразить формулой: где Q – кол-во теплоты, получаемой двигателем от нагревателя. КПД выражается в процентах или в долях. Формулы, которые необходимо применять для получения результата в долях, приведены выше. Для получения КПД в процентах следует использовать уравнения:

Адиабатный процесс

Адиабатный (адиабатический) процесс связан с первым термодинамическим законом. При нем изменение теплоты в системе равно сумме изменений тепловой энергии и выполненной работы, которую выполняет газ. Он протекает без передачи газу теплоты. Не происходит и передача теплоты газом внешней среде. Адиабатический процесс графически изображается так:

---

Разбор типовых вариантов № 12 ЕГЭ по физике

---

Демонстрационный вариант 2018

Тепловая машина работает по циклу Карно. Температуру холодильника тепловой машины повысили, оставив температуру нагревателя прежней. Количество теплоты, полученное газом от нагревателя за цикл, не изменилось. Как изменились при этом КПД тепловой машины и работа газа за цикл?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. увеличилась,
2. уменьшилась,
3. не изменилась.

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

КПД тепловой машины	Работа газа за цикл

Алгоритм решения:

1. Записываем формулу расчета КПД. Анализируем, что произойдет, если температуру  нагревателя увеличить.
2. Записываем формулу для КПД, выраженного через работу. Анализируем, как изменится эта величина.
3. Записываем ответ.

Решение:

1. Для любого двигателя показатель КПД определяется формулой:

  

,

где Т_н – температурный показатель нагревателя, Т_х – температурный показатель холодильника. Т.к. величина Т_х в формуле присутствует со знаком «–», значит, повышение значения этой величины ведет к уменьшению результата (т.е. ɳ). Вывод: увеличение температурного показателя холодильника приведет к уменьшению полезного коэффициента. Правильный вариант ответа – 2.

2. КПД выражается через работу так: ɳ=𝐴/𝑄_н. Отсюда А= ηQ_н. Из формулы видно, что ɳ пропорционально А. Вывод: если уменьшится КПД, работа тоже уменьшится. Прав.вариант ответа – 2.

3. Заполняем таблицу:

КПД тепловой машины	Работа газа за цикл
2	2

Ответ: 22

---

Первый вариант задания (Демидова, №3)

На рисунках приведены графики А и Б двух процессов, 1-2 и 3-4, происходящих с 1 моль гелия. Графики построены в координатах V-T и p-V, где р — давление, V — объём, Т — абсолютная температура газа. Установите соответствие между графиками и утверждениями, характеризующими изображённые на графиках процессы. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ГРАФИКИ

УТВЕРЖДЕНИЯ 1) Над газом совершают работу, при этом его внутренняя энергия увеличивается. 2) Над газом совершают работу, при этом газ отдаёт положительное количество теплоты. 3) Газ получает положительное количество теплоты и совершает работу. 4) Газ получает положительное количество теплоты, при этом его внутренняя энергия увеличивается.

 Алгоритм решения:

1. Рассматриваем первый график таблицы. Ищем правильное предложение в графе справа.
2. Проводим анализ второго графика в левой графе таблицы. Определяем правильный ответ в графе справа.
3. Записываем ответ.

Решение:

1. На графике А) температура повышается, но объем не изменяется. Это изохорный процесс, поэтому газ не совершает работы, и над газом работа не совершается. Поскольку темп-ра увеличивается (происходит нагревание), газ получает некоторое кол-во теплоты. Из 1-го з-на термодинамики (Q=∆U+A) следует, что его внутр.энергия возрастает. Анализируем утверждения: 1) Утверждение 1 неверно в своей первой части; 2) Утверждение 2 неверно полностью; 3) Утверждение 3 неверно в своей 2-й части; 4) Утверждение 4 верно.

2. Вариант Б) показывает: уменьшаются показатели объема газа и давления. Происходит сжатие газа; это означает, что над газом производится работа. Применив ур-ние Менделеева-Клапейрона (pV=νRT), делаем вывод: при снижении объема и давления должна снижаться и температура. А из этого утверждения в свою очередь следует, что снижается внутр.энергия газа. Кол-во теплоты (положительное) при этом отдается. Работа над газом в данном случае совершается. Анализируем утверждения: 1) Утверждение 1 неверно во 2-й своей части; 2) Утверждение 2 верно; 3) Утверждения 3 и 4 неверны полностью.

Ответ: 42

---

Второй вариант задания (Демидова, №20)

Установите соответствие между процессами в идеальном газе и формулами, которыми они описываются (N — число частиц, р — давление, V — объём, Т — абсолютная температура, Q — количество теплоты.) К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ПРОЦЕССЫА) изохорный процесс при N = const Б) адиабатный процесс при N = const

ФОРМУЛЫ

 Алгоритм решения:

1. Анализируем, что происходит при изохорном типе процесса. Определяем, какой вариант равенств соответствует такому процессу.
2. Анализируем, каким образом происходит адиабатический процесс. Устанавливаем, какое равенство соответствует данному процессу.
3. Записываем ответ.

Решение:

1. Справа вариантом А) записано, что происходит изохорный процесс. Он совершается при постоянном показателе объема. В этом случае действует з-н Шарля: р/Т= const. Такое равенство стоит под 1-м номером.

2. При адиабатическом процессе Б) не происходит теплового обмена со средой, то есть выполняется равенство: Q=0. Значит, правильные предложения 1 и 4.

Ответ: 14

9.11 Цикл Карно — Лекции по физике

Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер С. Карно в 1824г. пришел к выводу, что наивыгоднейшим круговым процессом является обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов, т.к. он характеризуется наибольшим коэффициентом полезного действия. Такой цикл получил название цикла Карно. В прямом цикле Карно рабочее тело изотермически, а затем адиабатически расширяется, после чего снова изотермически (при более низкой температуре) и потом адиабатически сжимается. Т.е. цикл Карно ограничен двумя изотермами и двумя адиабатами.

При изотермическом расширении от нагревателя отбирается тепло (на участке 1-2 рис. 9.11). Вследствие этого температура газа поддерживается неизменной. Соответственно, параметры точки 2 будут равны . На участке 2-3 происходит адиабатное расширение. Внутренняя энергия газа уменьшается и его температура падает до Т₂. Параметры точки 3 — . На участке 3-4 газ изотермически сжимается. Параметры точки 4 — . Выделяющееся при этом тепло отбирается холодильником. Участок 4-1 -адиабатическое сжатие до исходного состояния, соответствующего точке 1. Таким образом, завершен цикл “1-2-3-4-1 и в итоге нагреватель отдал газу теплоту , а холодильник отобрал Разность определяет полезную работу газа за один цикл, так как согласно I началу термодинамики , но для кругового процесса и, следовательно .

Отношение полезной работы к затраченной энергии нагревателя определяет коэффициент полезного действия (к.п.д.) тепловой машины:

(9.23)

Эта формула справедлива для любого обратимого и необратимого процесса.

Определим коэффициент полезного действия цикла Карно для обратимого процесса. Теплота подводится на участке 1-2 и отводится на участке 3-4. Для изотермического процесса внутренняя энергия Q=const и все подводимое тепло расходуется на работу .

Тогда

или

Для изотермического процесса работа


С учетом последних выражений

(9.24)

Покажем, что

Так как процессы на участках 2-3 и 1-4 адиабатические, для определения связи между и и и используем уравнение Пуассона в виде

Следовательно,

и

Разделим эти уравнения и получим

Тогда выражение для к.п.д. (9.24) примет вид

Эта формула справедлива только для обратимого цикла Карно.

Теоремы Карно.

1. Все обратимые машины, работающие по циклу Карно, имеют, независимо от природы рабочего тела, одинаковый КПД при условии если у них общий нагреватель и холодильник.
2. Если две тепловые машины имеют общий нагреватель и холодильник и одна обратимая, а другая необратимая, то КПД обратимой больше необратимой
   

Калькулятор КПД

Этот калькулятор КПД представляет собой простой инструмент для расчета отношения полезной выходной энергии к затраченной энергии. Вы можете использовать его для определения пропорций тепловой энергии, электроэнергии, механической работы или даже химической энергии. Продолжайте читать, чтобы узнать, как рассчитать эффективность в каждом из этих случаев, и узнать, каковы реальные применения формулы эффективности.

Что такое эффективность?

Эффективность определяется как отношение выходной энергии к вложенной энергии.Каждый раз, когда вы подаете энергию или тепло к машине (например, к двигателю автомобиля), определенная часть этой энергии тратится впустую, и лишь некоторая часть преобразуется в фактическую работу. Чем эффективнее машина, тем выше производительность.

Особым видом эффективности является эффективность Карно. Он определяется как КПД двигателя Карно, который является идеальным двигателем, максимизирующим выходную мощность.

Как рассчитать КПД?

Для расчета КПД необходимо применить следующую формулу:

η = Eвых. / Ein * 100%

где:

• η — КПД (выраженный в процентах),
• Eout — выход энергии (в джоулях), а
• Ein — подводимая энергия (также в Джоулях).

Результатом будет число от 0% до 100%. КПД, равный 0%, означает, что вся энергия тратится впустую, а выход энергии равен нулю. С другой стороны, 100% -ный КПД означает, что нет никаких потерь энергии.

Основной закон сохранения энергии гласит, что вы не можете создавать энергию. Из этого следует, что КПД любой машины никогда не может превышать 100%. Тем не менее, вы, вероятно, встретите статьи, в которых говорится, что светодиодные фонари или тепловые насосы могут иметь КПД 300% и более.

Как это возможно? Кажущаяся эффективность 300% является результатом определения эффективности, которое мы используем. Электрическая мощность, подаваемая на светодиодные лампы, может быть на самом деле ниже выходной мощности, но это не означает, что энергия была создана в процессе. Это просто означает, что свет получил некоторую тепловую энергию из окружающей среды и преобразовал ее в выходную энергию. Поскольку мы не можем измерить эти дополнительные входные данные, кажущаяся эффективность превышает 100%.

Реальные приложения

Даже если вы, вероятно, этого не замечаете, мы применяем определение эффективности к другим явлениям реальной жизни.Некоторые примеры включают:

• Возврат инвестиций (ROI) . Если вы посмотрите на формулу ROI более внимательно, вы увидите, что она аналогична уравнению эффективности. Это значение описывает, какова «эффективность» ваших вложений. В отличие от энергоэффективности показатель ROI может (и фактически должен) превышать 100%.

• Топливная эффективность . Несмотря на то, что формула MPG (миль на галлон) напрямую не связана с уравнением эффективности, она описывает, насколько эффективно ваш двигатель преобразует топливо в фактическую мощность.Чем менее эффективен двигатель, тем больше топлива ему нужно, чтобы преодолеть такое же расстояние.

4 примера формулы эффективности

Формула эффективности — это мера эффективности процессов и машин. Основная формула представляет собой отношение выпуска к вводу, выраженное в процентах: эффективность = (выпуск / ввод) × 100 . Производство энергии Энергоэффективность — это отношение полезной энергии к затраченной энергии. КПД = (полезная энергия / входная энергия) × 100 Например, солнечная панель, которая вырабатывает 300 Вт электроэнергии из 1500 Вт солнечного света: КПД = (300/1500) × 100 = 20% Энергопотребление Энергоэффективность машины, потребляющей энергию, рассчитывается как полезная энергия, выделяемая машиной, по сравнению с потребляемой энергией. Например, электромобиль, который потребляет 100 кВтч, что приводит к 60 кВтч мощности на колесах, имеет КПД: КПД = (60/100) × 100 = 60% КПД по энергии всегда ниже 100%, поскольку машины всегда вырабатывают некоторое количество энергии. отходы, такие как тепло, выделяемое двигателем.Эффективность бизнес-процессов обычно рассчитывается в долларовом выражении на основе стоимости результатов и затрат на вводимые ресурсы. Например, в производственных процессах используются такие ресурсы, как рабочая сила, электричество, материалы и детали, которые стоят 3 доллара. Результат имеет значение 4 доллара. КПД = (4/3) × 100 = 133,3% КПД машины можно измерить с точки зрения энергоэффективности или производительности оборудования. В последнем подходе используется стоимость результатов и стоимость вложений. В месяц сверлильный станок потребляет такие затраты, как рабочая сила, электричество, материалы и амортизация самого станка, которые стоят 50 000 долларов.Машина производит детали на сумму 60 000 долларов. КПД = (60 000/50 000) × 100 = 120% Более новый станок сверлит отверстия в 10 раз быстрее. Затраты на рабочую силу такие же, и машина расходует меньше электроэнергии и материалов. В месяц машина потребляет 410 000 долларов на входе и производит продукцию на сумму 600 000 долларов. КПД = (600,000 / 410,000) × 100 = 146% Эффективность Это полный список статей, которые мы написали об эффективности. Если вам понравилась эта страница, добавьте в закладки Simplicable. © 2010-2020 Простое. Все права защищены. Воспроизведение материалов, размещенных на этом сайте, в любой форме без явного разрешения запрещено. Просмотр сведений об авторах и авторских правах или цитировании для этой страницы.

Как рассчитать производительность на рабочем месте

1. Частичная факторная производительность

Эта формула состоит из отношения общего выпуска к единичному вводу.Менеджеры чаще всего используют эту формулу, потому что данные доступны и легко доступны. Кроме того, уравнения производительности с частными факторами легче связать с конкретными процессами, поскольку они имеют дело только с одним входом.

Чтобы рассчитать частичную факторную производительность, предположим, что компания производит продукции на сумму 15 000 долларов, а еженедельная стоимость всех ресурсов (рабочая сила, материалы и другие затраты) составляет 8 000 долларов. Вы разделите 15000 на 8000, рассчитав частную факторную производительность 1,8.

2. Многофакторная производительность

В то время как формула частичной факторной производительности использует один единственный ввод, формула многофакторной производительности представляет собой отношение общего выпуска к подмножеству затрат. Например, уравнение может измерять отношение выпуска к труду, материалам и капиталу. Этот метод является более всеобъемлющим показателем, чем частичная факторная производительность, но его также сложнее рассчитать.

Мы попросили Дэна Кето, эксперта по производительности из Easy Metrics, привести пример, иллюстрирующий одно возможное многофакторное уравнение производительности.

Один из наших клиентов управляет кросс-докингом для одного из крупнейших розничных продавцов страны. Кросс-докинг — это когда вы берете импортированные морские перевозки в контейнерах, разгружаете их, а затем повторно загружаете в исходящие грузовые автомобили. По сути, это похоже на разборку кубика Рубика и его повторную сборку. Отраслевая парадигма состоит в том, чтобы взглянуть на производственную метрику рабочих, обрабатывающих груз, в единицах ящиков в час (CPH). Для более длительного периода времени это разумный показатель. Однако ежедневное управление операциями в расчете на одного сотрудника неэффективно.

Каждый грузовой контейнер может иметь от 40 до 20 000 ящиков в зависимости от типа продукта на контейнере и иметь до 100 различных артикулов. Структура грузовых перевозок существенно влияет на время, необходимое для выполнения работы. В зависимости от состава контейнеров CPH может варьироваться от 20 ящиков за час работы до более 400.

Используя CPH, клиент не смог добиться согласованности ни в своей производительности, ни в требованиях к прогнозу рабочей силы, потому что он не использовал другие факторы, присутствующие в данных, для более точного расчета нормы труда.Включив в расчеты артикулы, разделение, вес ящика и куб, мы смогли разработать многофакторный трудовой стандарт, который мог точно и последовательно прогнозировать объем труда, необходимый для каждого грузового контейнера.

При использовании модели линейной регрессии стандартная формула этого метода —

.

ЧАСОВ = AX + BY + CZ + D

В случае вышеприведенного примера ЧАСЫ = A * (# случаев) + B * (разделение) + C * (артикулы) + D * (куб) + E * (вес) + F. Коэффициенты AF являются вычисленными весовые коэффициенты умножаются на входные, чтобы получить конечный результат.Эти коэффициенты могут быть рассчитаны либо с использованием исследований времени в движении (промышленная инженерная модель), либо, если у вас достаточно большой набор данных, с помощью инструментов линейной регрессии. Современные технологии и большие данные позволяют даже небольшим предприятиям рассчитывать экономически эффективные стандарты многофакторной производительности.

Конечным результатом использования приведенного выше примера было то, что клиент мог видеть до каждого сотрудника, каков уровень производительности, а затем проактивно управлять и обучать соответствующим образом.Затраты на оплату труда сократились более чем на 30%.

3. Общая факторная производительность

Эта формула объединяет эффекты всех ресурсов, используемых в производстве товаров и услуг (труд, капитал, материалы и т. Д.), И делит их на выпуск. Этот метод может отражать одновременные изменения в выходных и входных данных, однако они не показывают взаимодействия между каждым выходом и входом по отдельности (что означает, что они слишком широки, чтобы улучшать конкретные области).

Опять же, это уравнение сложно вычислить.Наш эксперт по производительности из Easy Metrics, системы управления персоналом, приводит пример, иллюстрирующий один из возможных расчетов.

Измерение совокупной факторной производительности — это одновременно искусство и наука. Ключевой момент, о котором следует помнить при построении этой метрики производительности, — это сосредоточиться на вводимых ресурсах, которые имеют разумную корреляцию между стоимостью и эффективностью с выходом. Инженеры часто хотят измерить все возможные входные факторы для процесса. Используя анализ больших данных, мы часто обнаруживали, что корреляция многих из этих входных факторов ниже естественной дисперсии (шума), возникающей в процессе, поэтому сбор такой информации часто не стоит затрат на это.

Один из наших клиентов — крупный кухонный комбайн, производящий фасованные овощные продукты. У них примерно 200 сотрудников в смену, 16 производственных линий с приводом от оборудования и около 1000 различных наименований продукции. Их стандартная метрика заключалась в том, чтобы смотреть в фунтах на произведенный труд в час для измерения их эффективности, однако это может вводить в заблуждение, потому что в зависимости от продукта существует большая разница между каждым продуктом.

Мы работали с ними над увеличением количества факторов, измеряемых, чтобы получить четкое представление об общей производительности, а также определить области, на которых следует сосредоточиться, которые могут повысить производительность.Этими факторами были:

• Время безотказной работы машины: Измеряется в процентах от часов смены
• Время отсутствия: Разница между временем рабочего времени и временем на производственной линии
• Норма труда по сравнению с фунтами / час: Разработаны многомерные производственные стандарты на основе типа упаковки и типа / состава товара. Результат оценивается в процентах от стандарта, где 100% означает работу с ожидаемым уровнем производительности.
• Выход / потери продукта: Качественный фактор, измеряющий выходную массу по сравнению с входной массой
• Фактор качества входящего продукта: Различия в качестве товаров создают различия в производительности
• Коэффициент производственного цикла: Учитывает время на перевод линий на новые виды продукции.Небольшие тиражи пропорционально требуют большего времени на переналадку на фунт продукции.

Конечным результатом стала комплексная панель отчетности с одним макрорезультатом общего коэффициента производительности, оцененным в процентах, где 100% — это ежедневная цель, а затем разбиты все вышеперечисленные подфакторы, чтобы можно было выявить недостатки. Каждый подфактор оценивается пропорционально его важности. Стандартам труда и времени безотказной работы оборудования были присвоены значения 30%, остальные факторы имели меньший вес, поскольку эти два фактора были основным фактором производительности.

Общий коэффициент производительности = 0,30 × Время безотказной работы машины + 0,10 × Время простоя + 0,30 × Нормы труда + 0,10 × Выход продукта + 0,10 × Фактор качества на входе + 0,10 × Коэффициент производственного цикла

Теперь у клиента есть четкое представление о своих операциях и доступной информации для устранения недостатков по мере их возникновения.

Формула термической эффективности

| Расчет

В результате этого утверждения мы определяем термический КПД , η _th любой тепловой машины как отношение выполняемой им работы, Вт, , к тепловложению. при высокой температуре Q _H .Формула термического КПД :

Тепловой КПД , η _th , представляет собой долю тепла , Q _H , которая преобразуется в работу .

Стандартный цикл Отто Тепловой КПД является функцией степени сжатия и κ = c _p / c _v .

Тепловой КПД для Дизельный цикл :

Тепловой КПД цикла Брайтона с точки зрения степени сжатия компрессора (PR = p ₂ / p ₁ ), который является обычно используемым параметром:

Тепловой КПД простого цикла Ренкина и с точки зрения удельных энтальпий будет:

Тепловой КПД , η _th , представляет собой долю тепла , Q _H , которая преобразуется в работу .Это безразмерный показатель производительности теплового двигателя, использующего тепловую энергию, такого как паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания или холодильник. Для холодильных или тепловых насосов термический КПД указывает на степень, в которой энергия, добавленная в результате работы, преобразуется в чистую тепловую мощность. Поскольку это безразмерное число, мы всегда должны выражать W, Q _H и Q _C в одних и тех же единицах.

Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована для работы, подвод тепла, Q _H , должен равняться выполненной работе, Вт, плюс тепло, которое должно быть рассеяно, как отходящее тепло Q _C в окружающую среду.Поэтому мы можем переписать формулу теплового КПД как:

Чтобы получить КПД в процентах, мы умножаем предыдущую формулу на 100. Обратите внимание, что η _th может быть 100%, только если отходящее тепло Q _C будет равно нулю.

В целом КПД даже у лучших тепловых двигателей довольно низок. Короче говоря, очень сложно, , преобразовать тепловую энергию в механическую.Тепловой КПД обычно составляет ниже 50%, и часто намного ниже. Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветровой или гидроэнергетики (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями), здесь нет преобразования энергии между тепловой и механической энергией. [/ Lgc_column]

Эффективность Карно

В 1824 году французский инженер и физик Николя Леонар Сади Карно продвинул исследование второго закона, сформировав принцип (также называемый правилом Карно ), который определяет пределы максимальной эффективности , которую может получить любой тепловой двигатель .Короче говоря, этот принцип утверждает, что эффективность термодинамического цикла зависит исключительно от разницы между горячим и холодным резервуарами температуры.

Принцип Карно гласит:

1. Ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( тепловой двигатель Карно ), работающий между теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами.
2. КПД всех реверсивных двигателей ( тепловые двигатели Карно ), работающих между одними и теми же резервуарами постоянной температуры, одинаковы, независимо от используемого рабочего вещества или деталей работы.

Эффективность Карно

Формула максимальной эффективности:

где:

• — это КПД цикла Карно, т.е. это отношение = W / Q _H работы, выполняемой двигателем, к тепловой энергии, поступающей в систему из горячего резервуара.
• T _C — абсолютная температура (Кельвина) холодного резервуара,
• T _H — абсолютная температура (по Кельвину) горячего резервуара.

Формула цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона состоит из четырех термодинамических процессов. Два изоэнтропических процесса и два изобарических процесса.

Тепловой КПД простого цикла Брайтона для идеального газа и в виде удельных энтальпий можно выразить через температуры:

Термический КПД цикла Ренкина

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве тепловых электростанций.

Тепловой КПД простого цикла Ренкина и по удельным энтальпиям составляет:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД вы можете использовать данные из таблиц пара .

Литература:

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Эддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Glasstone, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Clarendon Press; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
7. г.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
8. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерного реактора, 1988.
9. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам DOE, том 1 и 2. Январь 1993 г.

Advanced Reactor Physics:

1. К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

См. Выше:

Тепловой КПД

Экономическая эффективность — обзор, формула, эффективность по Парето

Что такое экономическая эффективность?

С математической точки зрения экономическая эффективность — это функция отношения фактического значения экономической переменной к потенциальному значению той же самой экономической переменной.

Формула экономической эффективности

Экономическая эффективность — это просто мера того, насколько хороши вещи с экономической точки зрения по сравнению с тем, насколько хорошими они могли бы быть. Формула для определения экономической эффективности выглядит следующим образом:

Эффективность по Парето

В экономике наиболее часто используется концепция эффективности по Парето Эффективность по Парето Эффективность по Парето ситуация, в которой невозможно улучшить положение одной партии.Показатель эффективности назван в честь итальянского инженера и экономиста Вильфредо Парето. Распределение является эффективным по Парето, если с этого момента невозможно улучшить положение кого-то, не ухудшая положение кого-то другого. Результат считается неэффективным по Парето, если возможно улучшить положение хотя бы одного агента без ухудшения положения любого другого агента.

1. Эффективность Парето в индивидуальном потреблении

В поведении потребителей Типы покупателей Типы покупателей — это набор категорий, описывающих потребительские привычки.Поведение потребителя показывает, как обращаться к людям с разными привычками. Пакет потребления эффективен по Парето, если невозможно увеличить потребление одного товара без уменьшения потребления другого товара.

Графически это означает, что потребитель всегда потребляет на границе своего набора безразличия, а не внутри него. Все внешние точки набора безразличия дают потребителю больше полезности, но они неосуществимы, поскольку потребитель не может себе их позволить.

Пакет эффективного потребления по Парето всегда находится на кривой безразличия. На приведенном выше графике серая заштрихованная область представляет меньшее, чем задано для кривой безразличия (оранжевая кривая) U0. Все точки во внутренней области дают строго меньшую полезность, чем точка на кривой безразличия.

2. Эффективность Парето в индивидуальном производстве

В производственном поведении производственная группа является эффективной по Парето, если невозможно увеличить производство производителем одного товара без уменьшения производства производителем другого товара.Графически это означает, что производитель всегда производит на границе своих производственных возможностей.

Эффективный по Парето производственный комплекс всегда находится на границе производственных возможностей Граница производственных возможностей Граница производственных возможностей относится к идее, что в данной экономике факторы производства, такие как рабочая сила и капитал, недостаточны. На приведенном выше графике серая заштрихованная область представляет меньшее, чем установлено для границы производственных возможностей (оранжевая кривая) Q0.Все точки во внутренней области дают строго меньший объем производства, чем точка на кривой границы производственных возможностей.

3. Эффективность Парето в распределении доходов или богатства

В своем исследовании Вильфредо Парето заметил, что 20% итальянского населения владеют 80% богатства страны. Парето заметил, что распределение богатства, хотя и сомнительно с моральной точки зрения, было эффективным с экономической точки зрения. Распределение богатства эффективно по Парето тогда и только тогда, когда сумма индивидуального богатства равна совокупному богатству.Пока ресурсы не тратятся впустую, один человек, владеющий всем богатством в мире, считается столь же эффективным, как и все население мира, имеющее равное богатство.

Критика экономической эффективности

Концепция эффективности, используемая экономистами, часто критикуется философами и политологами. Критика проистекает не из логической конструкции эффективности по Парето, а из-за того факта, что экономисты склонны обосновывать политические рекомендации на основе повышения эффективности (а не с учетом моральных или социальных вопросов).

Ссылки по теме

CFI является официальным поставщиком программы сертификации аналитика финансового моделирования и оценки (FMVA) ® Стать сертифицированным аналитиком финансового моделирования и оценки (FMVA) ®, предназначенной для превращения любого в финансового аналитика мирового уровня .

Для продолжения обучения и развития ваших знаний в области финансового анализа мы настоятельно рекомендуем дополнительные ресурсы CFI, указанные ниже:

• Использование производственных мощностей Использование производственных мощностей Использование производственных мощностей относится к производственным и производственным возможностям, которые используются страной или предприятием в любом конкретном случае
• Экономика производства Экономика производства Производство относится к количеству единиц, выпускаемых фирмой за определенный период времени.С точки зрения микроэкономики, фирма, которая работает эффективно. u) — это показатель того, какую выгоду потребители получают от определенных товаров или услуг. От финансового отдела

Расчет эффективности оператора и эффективности линии

Формула эффективности используется для измерения эффективности серийного производства и производительности труда рабочих.

Эффективность — это результат работы операции, разделенный на затраты работы той же операции и выраженный в процентах. Общая формула для расчета КПД:

(Производительность / затраты на работу) X 100

Если рассматривать ввод и вывод работы в «минутах», формула эффективности будет такой — отношение общего количества произведенных стандартных минут к общему количеству минут, затраченных на работу.

Я работаю в секторе производства одежды. На фабрике по производству одежды мы ежедневно рассчитываем эффективность линии, чтобы проверить и измерить ее производительность.Мы используем следующую формулу для расчета эффективности.

Формула эффективности

Эффективность% = (Общее количество произведенных минут X 100) / (Общее количество отработанных часов X 60)

В приведенной выше формуле 60 умножается для преобразования часов в минуты, а 100 умножается для выражения в процентах.

Во второй формуле вместо подсчета минут мы рассматриваем произведенную одежду как объем производства, а производственную цель для данных часов — как затраты.Производственная цель рассчитывается на основе предмета ЗРК. Приведенная ниже формула используется для расчета производственной цели.

Целевая производительность в час (при эффективности 100) = (60 / операция SAM)

Также читайте: Как рассчитать почасовую производственную цель?

В секторе производства одежды данные об эффективности производства рассчитываются во многих формах. Например, индивидуальная эффективность сотрудников в течение дня, индивидуальная эффективность в час, эффективность линии и эффективность производства.

Во всех случаях формула расчета КПД остается неизменной. Общее количество произведенных минут и общее количество отработанных минут необходимо рассчитать в зависимости от того, где используется формула.

Рассчитать эффективность отдельного оператора

Определим эффективность работы оператора швейной машины.
Машинист работает 8 часов, и по данному заданию он изготовил 400 предметов одежды. стандартное время выполнения задания 30 секунд. Обратите внимание, что для подсчета произведенных минут вам необходимо знать стандартную минуту работы (операции).Он произвел минуты (400 X 30/60) = 200 минут. Он проработал 480 минут.

Итак, его эффективность (200/480) * 100 = 41,67%

Рассчитать КПД линии

Метод расчета эффективности линии объяснен в более ранней публикации. Прочтите Как рассчитать эффективность линии?

Источники: www.accountingtools.com, www.softschools.com

Как определить и измерить КПД центробежного насоса: Часть 1

Если вы читали новости о насосах и двигателях за последние 10 лет, вы знаете, что давление для создания более эффективных насосов возрастает.Инициативы по энергосбережению насосов аналогичны тому, что происходило за последние 15 лет с электродвигателями переменного тока (AC).

Начиная с 2011 года и заканчивая 2020 годом, Министерство энергетики США установило требования (правила) к центробежным водяным насосам для обеспечения минимального уровня эффективности. Часть этой работы началась в 1990-х годах, но правила («Стандарты энергосбережения для насосов») были приняты годами позже.

Гидравлический институт (HI) инициировал множество программ, от повышения осведомленности общественности до углубленного обучения и руководств по управлению.Как говорится на их веб-сайте, «HI взяла на себя ведущую роль в представлении насосной отрасли в переговорах о справедливых и соответствующих правилах, направленных на достижение целей экономии энергии».

Недавно ко мне обратился технический колледж с просьбой внести свой вклад в разработку более эффективных насосов. Я очень готовился к встрече, но проект был отменен из-за пандемии COVID-19. После этого я не мог выкинуть из головы тему об эффективности насоса, как в очень плохом маркетинговом трепе.Идеи повышения эффективности воспроизводились в моей голове педантичным голосом, прожженным в моей коре моей бабушкой по отцовской линии: «Легче сказать, чем сделать» и «Нельзя получить что-то даром», воспроизводимые в непрерывном цикле.

Для справки, я считаю, что повышение эффективности — это похвальная цель и высокий приоритет в моей работе. Мое личное мнение, противоречащее этой цели, заключается в том, что если вы неправильно спроектируете соответствующую насосную систему и не будете правильно эксплуатировать насос, не имеет значения, эффективен насос или нет.Насос и система должны работать вместе — одно нужно другому.

КПД

Основное определение эффективности — простая формула. Эффективность — это отношение выпуска, деленное на вход, а затем умноженное на 100, чтобы выразить его в процентах.

Если у вашего автомобиля бензиновый двигатель, его КПД составляет около 20 процентов; если двигатель дизельный, он может улучшиться до 30 процентов и более. КПД угольной или атомной электростанции может приближаться к 38 процентам.Газовые электростанции с комбинированным циклом могут приближаться к 60 процентам. Современные асинхронные двигатели переменного тока недавно достигли КПД 99 процентов, но чаще всего составляет от 91 до 95 процентов при почти полной нагрузке.

Центробежные насосы могут достигать КПД 94%, но типичный КПД составляет 55% для малых насосов и 70% для больших насосов. Количество электроэнергии, потребляемой насосами на среднем промышленном предприятии, зависит от типа установки.Типичный целлюлозно-бумажный комбинат будет использовать 30 процентов потребляемой энергии для привода насосов. Химический завод может использовать 27 процентов, а нефтеперерабатывающий завод может использовать 60 процентов. Через короткое время стоимость энергии для привода насоса превысит первоначальные затраты на закупку и установку. В течение 20-летнего периода затраты на электроэнергию типичного 100-сильного насоса обычно в 20 раз превышают первоначальную стоимость насоса, включая установку.

КПД насоса

КПД насоса — это «водяная мощность», разделенная на «тормозная мощность» и умноженная на 100, чтобы представить ее в процентах (см. Формулы на Рисунке 1).

Водные лошадиные силы — это инструмент проектирования системы, который представляет собой мощность, которая требуется насосу для выполнения гидравлических условий, если он был бы на 100 процентов эффективен. Эффективность насоса не является фактором в уравнении мощности воды в лошадиных силах. Водные лошадиные силы определяют нижнюю границу требований к мощности. Или подумайте об этом как о минимальной мощности, необходимой для перемещения жидкости (воды). Это полезная информация, которую нужно иметь на ранних этапах проектирования завода. Обратите внимание, что при выполнении этого расчета следует использовать удельный вес.

Тормозная мощность (л. С.) — это мощность на валу, которая требуется насосу для выдерживания нагрузки. Мощность торможения учитывает КПД насоса, но не КПД двигателя. Эти данные используются для определения размера драйвера. Входная мощность и эффективность насоса могут быть рассчитаны по основной формуле BHP, но при составлении кривых производительности производитель измеряет скорость и крутящий момент на входе вала двигателя в насос. Эффективность насоса — это простой расчет, если у вас есть данные о скорости и крутящем моменте.

Эффективность проводки в воду — это количество энергии, которое передается перекачиваемой жидкости (воде), деленное на энергию, которая была введена электрической системой, или выполненная работа, деленная на приложенную работу. При использовании дробей или десятичных дробей мы можем умножать вместо деления, и таким образом эффективность передачи воды — это эффективность насоса, умноженная на эффективность двигателя. Эта информация позволяет нам правильно рассчитать электрическую сеть двигателя. (Эффективность преобразования провода в воду называется эффективностью преобразования провода в жидкость, если жидкость не является водой.)

Например, двигатель с КПД 90%, который приводит в действие насос с КПД 70%, дает реальный КПД 63% (0,90 x 0,70 = 0,63 или 63% КПД). Примечание: это не средняя эффективность двух факторов, что является распространенной ошибкой. Эффективность передачи воды по проводам становится основным фактором и важным инструментом при расчете затрат на электроэнергию для перекачивания определенного количества жидкости.

Почему насос не более эффективен?

Некоторыми факторами, препятствующими достижению насосом более высокого КПД, являются шум, вибрация, рециркуляция и тепло.Другие препятствия для повышения эффективности насоса включают:

Механический КПД факторов, которые в основном включают потери на трение в подшипниках, набивке, торцевых уплотнениях, дисбаланс крыльчатки / ротора, муфты и несоосность привода.

Объемный КПД — это сумма потерь от утечки через щелевые кольца, зазора рабочего колеса до корпуса, межступенчатых втулок, балансирных барабанов, линий нагрева / байпаса и внутреннего потока обратно в сальник / фонарное кольцо.

Гидравлический КПД факторов являются самым большим препятствием. Это сумма всех потерь на трение жидкости в насосе, включая потери на трение диска и гидравлические удары. Потери на ударные нагрузки возникают из-за быстрого ускорения и замедления жидкости, которые увеличиваются при низких расходах и зависят от геометрии рабочего колеса. Фактор удара является причиной того, почему рабочие колеса с высокой удельной скоростью обычно более эффективны.

ИЗОБРАЖЕНИЕ 1: Формулы, необходимые для расчета КПД центробежных насосов (Изображение любезно предоставлено автором)

Часть 2 этой колонки посвящена повышению эффективности насоса.

Прочтите больше статей о распространенных ошибках перекачки здесь.

.