Коэффициент полезного действия и коэффициент

эффективности

 

Физический энциклопедический словарь [1] так определяет этот показатель:

«Коэффициент полезного действия (кпд) характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии, определяемая отношением η полезно использованнной энергии (Wпол) к суммарному количеству энергии (Wсумм), полученному системой».

Возникает сразу несколько вопросов: Что за система имеется в виду  (техническая, биологическая, химическая, энергетическая...?), Входит ли в понятие «Преобразование энергии» извлечение энергии системой из окружающей среды или нет?» или: Входит ли в  суммарную энергию та энергия, которую система извлекает из окружающей среды? Неискушённому в науке читателю разобраться в этом нелегко. Определения КПД в других источниках даются, примерно, на том же уровне. 

     Знаком  «*» отмечены ниже термины, предлагаемые автором в порядке обсуждения.

 

1. Терминология и обозначения

 

COP (иногда СР, англ. Coefficient of performance) – коэффициент преобразования энергии [2].

η (КПД) – коэффициент полезного действия.

• Система *– материальная сущность, которая может получать энергию  в какой-либо форме (работа, теплота, радиация...) и производить с энергией всё или что-либо из следующего: преобразование, передача во вне, извлечение энергии из окружающего пространства. Две сцепленные друг с другом шестерёнки, тепловой двигатель, электрогенератор, ТЭЦ, атомный реактор, лист растения и т.д.  и т.п. 

Частные показатели системы* – характеризуют отдельные элементы (ступени) системы (механические, термические, электрические...).

• Общие показатели системы* – характеризуют систему в целом (технические, экономические, эргономические...).

• Показатель в обобщённом виде* – определяется с помощью абстрактных терминов.

• Специальный показатель* – показатель какого-либо класса систем, выраженный в терминах соответствующей дисциплины.

• Эффективность работы системы* – уровень (качество) её работы. Если количественные показатели системы, к примеру, соответствуют показателям лучших аналогов, говорят об эффективной работе; при «плохих» показателях  – о низкой эффективности.  

• Получаемая системой энергия* – энергия, на получение которой система не расходует никаких ресурсов плюс та энергия, которую система извлекать из окружающей среды после запуска. Последняя может в сотни и даже тысячи раз превосходить первую.

 

2. Коэффициент полезного действия

 

2.1. КПД в обобщённом виде

Коэффициент полезного действия системы в обобщенном виде есть показатель эффективности работы системы по преобразованию и/или передаче полученной (Wплч) энергии c целью получения полезно используемой энергии (W):

η = Wплч/W.

При вычислении КПД следует разные виды энергии и работы подставлять в одних единицах. Выражается показатель, обычно, в относительных единицах или процентах и изменяется, соответственно,  в пределах [0, 1) и [0, 100%). КПД любой реальной системы, в соответствии с законом сохранения энергии, всегда остаётся меньше единицы (100%). Так что любой изобретатель, заявивший о создании чудесной машины с КПД больше единицы, либо просто ошибся в измерениях, либо не учёл какой-то скрытый источник энергии. Чудес не бывает!

    

2.2. Классификация КПД

     Классификацию КПД проведу для любых систем – технических, биологических социальных...    

     По масштабу охвата систем*: обобщённые КПД, специальные КПД. Примеры специальных КПД: «В электрических двигателях кпд — отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника; в тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты; в электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой» [3].  

По масштабу охвата частей системы* – частные КПД (КПД ступеней), относящиеся к отдельным элементам системы (механические, термические... ) и КПД, характеризующие всю цепь преобразований энергии (общие, технические, экономические...) [3].  Общий КПД системы равен произведению частных КПД. Например, экономический КПД парового двигателя (ηэк) находится  по формуле [4]:

                            ηэк = ηk . ηi . ηg  . ηm ,   

где ηk  – КПД котельной установки, ηi – термический КПД, ηg  – относительный внутренний КПД,  ηm – механический КПД.

 

 

2.3. Примеры КПД разных систем в процентах

Электростанции                                                            35—40

Динамомашины и генераторы большой мощности          95

Трансформаторы                                                                  98

Двигатели внутреннего сгорания                               40—50

Процесс фотосинтеза, обычно и у хлореллы        6-8, 20-25

 

3. Коэффициент эффективности тепловых насосов и холодильных  

    машин

 

     Работу тепловых насосов и холодильных машин можно охарактеризовать одной и той же величиной – коэффициентом эффективности [5]. Вот только определяется она для них по разному.

Тепловой насос              

COP = Qh /W = (Qc + W )/W,                      (3.1)

где Qh – тепло, переданное нагреваемому резервуару, где Qс – тепло, отнимаемое от охлаждаемого резервуара,  W – работа, произведённая  насосом. В соответствии с первым началом термодинамики, для изолированных систем можно показать, что  Qh = Qc + W. Отсюда: W = Qh - Qc. Подставляя W в 3.1 имеем:  COP = Qh/( Qh Qс).  Для теплового насоса, работающего с максимальной теоретической эффективностью (цикл Карно) имеют силу следующие соотношения: Qh/Th = Qc/Tс, где  Th  и  Tс  абсолютные температуры нагреваемого и  охлаждаемого резервуаров, соответственно.

• Холодильная машина: COPс = Qc /W = Qc/( Qh Qс) = Tс/( Th - Tс).

Высокие COP (600 и более) соответствуют машинам с меньшими эксплуатационными затратами. Коэффициент очень сильно зависит от условий работы и особенности от абсолютных температур резервуаров.

 

Источники информации

 

1. Физический энциклопедический словарь. – М.: Научное изд. «Большая Российская энциклопедия», 1995.   

2. Коэффициент полезного действия.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F

3. Коэффициент полезного действия.

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/99318/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82

4. БСЭ, Т. 23. Л.: «БСЭ», 1953. С. 187-188.

5. Coefficient of performance

http://en.wikipedia.org/wiki/Coefficient_of_performance  From Wikipedia, the free encyclopedia

                                                                                                           П.Г. Басков, 31.07.14