Nashidvery.ru

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

Что такое коэффициент полезного действия (КПД)

Что такое коэффициент полезного действия (КПД)

Коэффициент полезного действия (сокращенно — КПД) электрической установки показывает, какая доля активной электрической энергии Q, безвозвратно расходуемой данной установкой, приходится на полезную работу A, совершаемую этой установкой по назначению (если речь идет о преобразователе или о потребителе), либо какая доля подводимой к установке механической энергии (или энергии иной формы, например химической или световой) преобразуется в ней в полезную энергию (работу).

Таким образом КПД является безразмерной величиной, значение которой всегда меньше единицы, и может быть записано в виде десятичной дроби, или в виде числа (количества процентов) — от 0% до 100%.

Коэффициент полезного действия

Нагревательные приборы

Наибольшим КПД (близким к 100%) обладают электрические нагревательные приборы, в которых энергия электрического тока преобразуется непосредственно в тепло. Практически это — так называемое джоулево тепло, которое выделяется по закону Джоуля-Ленца на нагревательном элементе (например на нихромовой спирали) при прохождении через него электрического тока, и является в данном случае полезной работой.

Пример такого прибора — масляный радиатор. Если, скажем, в электродвигателе или в трансформаторе нагрев обмоток является чистыми потерями, то в масляном радиаторе нагрев — это и есть полезная работа, других (неполезных) потерь здесь нет.

Смотрите по этой теме:

Асинхронные двигатели

У асинхронных электродвигателей КПД обычно не превышает 80-90%. Полезной работой здесь является механическая работа, выполняемая валом двигателя.

К двигателю подводится переменный ток из сети, этот ток, проходя по обмотке статора, порождает в магнитопроводе (статора) переменное магнитное поле, которое, действуя на ротор, вращает его. При этом неизбежно возникают активные потери мощности в проводе обмотки (джоулево тепло) и в магнитопроводе (вихревые токи, нагревающие металл статора и ротора).

По этой причине корпус работающего под нагрузкой двигателя всегда разогревается. Для отвода тепла, на роторе двигателя устанавливается крыльчатка вентилятора, а снаружи на корпусе делаются радиаторные ребра для лучшего охлаждения — для отвода тепловых потерь и сохранения рабочих характеристик двигателя на приемлемом уровне.

КПД электродвигателя можно узнать из шильдика (паспортной таблички). Подробнее об этом смотите здесь: Характеристики асинхронных двигателей

Информация про электродвигатели в бытовых приборах: Бытовые двигатели и их использование

Светодиод

В осветительном светодиоде полезной работой является производство видимого света. КПД таких светодиодов достигает сегодня 35%, это значит, что 65% подводимой к нему электрической энергии все же теряется в форме тепла. Поэтому данные светодиоды всегда имеют металлическую подложку как часть корпуса, при помощи которой они плотно крепятся к радиатору, либо просто массивные выводы, чтобы обеспечить необходимый отвод тепла.

Подробнее про светодиоды:

Солнечная батарея

Рассмотрим случай генерации электроэнергии из солнечного света при помощи солнечной батареи на основе кремния. КПД обычной монокристаллической солнечной батареи находится в районе от 9 до 24%. Это значит, что в зависимости от количества падающих на солнечный элемент фотонов, ее КПД будет больше или меньше.

Так или иначе, не все фотоны, попадающие на элемент приводят к генерации электрического тока, а только те, что имеют наиболее адекватную для данного элемента длину волны. Другие фотоны просто отражаются, приводят к нагреву, или даже мешают генерации тока. Ученые многих стран мира непрерывно ведут исследования в поиске технологии создания более эффективных солнечных элементов.

Подробнее об этом смотрите здесь:

Источник тока

КПД реального источника тока сильно зависит от сопротивления нагрузки, а точнее — от соотношения между сопротивлением нагрузки R и внутренним сопротивлением источника тока r.

Например для щелочной батарейки, питающей маленький нагреватель, можно сказать, что подводится химическая энергия преобразуется в тепловую. Когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника тока, КПД равен 50%, причем в данных условиях источник отдает максимально возможную мощность, половина которой, однако, рассеивается в самом источнике.

А чем сопротивление нагрузки больше — тем выше КПД источника, так как в этом случае большая мощность приходится на сопротивление нагрузки, и меньшая — рассеивается в самом источнике. Это значит, что лучший КПД получается тогда, когда источник работает почти что «вхолостую», то есть когда сопротивление нагрузки сильно больше его внутреннего сопротивления.

Смотрите также про коэффициент полезного действия различных лампочек: Типы ламп для домашнего освещения — какие лучше и в чем разница

КПД электромобиля «по версии Евросоюза»

Не думал, что тема «экологичности/экономичности» электромобилей окажется такой популярной.
В одном из комментариев к предыдущей записи мне прислали ссылку на статью (www.popmech.ru/vehicles/3…romobili-vrednee-dizeley/), в которой рассказывается об исследовании вреда, наносимого окружающей среде, электро- и дизельными автомобилями, проведённых бельгийским исследовательским агентством «Transport & Environment». Данные из этой статьи и из моих прошлых записей я свёл в таблицу.

По заключению «Transport & Environment», электромобили загрязняют атмосферу на 25% меньше, чем дизельные автомобили. Правда если взять их же данные, то больше 23% не получается. Но это если углекислый газ считать загрязнителем. Мне, честно говоря, поверить в это трудно. Не помню, какая оценка была у меня в школе по биологии, но я точно помню, что без двуокиси углерода ни одно растение не сможет вырасти. Но это всё «лирика», а мы перейдём к физике.

Что же у нас выходит с экономичностью и КПД? Если посмотреть на безликий дизельный автомобиль, взятый агентством «Transport & Environment», с расходом 7,63л/100км, то «в метане» это будет 5,5 кг (сравните с данными «по метану» электромобилей). И где тут «супер КПД»? Да, «в среднем по Евросоюзу», посчитали 3,25 кг. Так это ж только потому, что «остальная» часть энергии от т.н. возобновляемых источников, а не потому, что КПД «космос».

Почему же КПД электромобилей практически «никакой»? Давайте «копать». Возьмём реальные данные, по которым ООО «Башкирэнерго» в 2016 году на каждый произведенный киловатт-час электроэнергии, в среднем израсходовало 299 грамм условного топлива. Принято, что теплота сгорания одного килограмма условного топлива равна 29,3 МДж. Посчитаем. 1 кВт-ч, это 3,6 МДж, а 299 грамм условного топлива при сжигании даёт 8,76 МДж. Получается, что КПД производства электроэнергии ООО «Башкирэнерго» составляет 41%.
Средние потери в электросетях этого же ООО, при передаче электроэнергии потребителю, составляют 8,68%. Зарядное устройство для аккумуляторов электромобиля, сама аккумуляторная батарея, электромотор и трансмиссия электромобиля тоже имеют свой КПД. Предположим самый максимальный (точнее, фантастический) вариант, что КПД "от розетки и до пятна контакта покрышек колёс электромобиля с дорогой" составляет 90%. Но даже в таком варианте, КПД электромобиля, эксплуатирующегося где-то в Республике Башкортостан, будет иметь значение менее 35%. Это мы ещё отопление салона не включали.

Сопоставим эти данные с данными «Transport & Environment». Не смотря на то, что «Transport & Environment» не указала, какие именно электромобили и дизельные автомобили были ею исследованы, мы вправе предположить, что они были сопоставимы по массе, размерам, а может быть, даже и по аэродинамике. Значит и затраты энергии на перемещение их из точки «А» в точку «Б», тоже сопоставимы (ещё раз — затраты на перемещение). Кроме этого, примем, что расход условного топлива на производство электроэнергии и потери при её доставке потребителю польских ТЭС и электросетей, сопоставимы с этими параметрами в ООО «Башкирэнерго». Теперь, давайте подведём итог. Электромобиль — 289,95 МДж/100км, умножить на 0,35 (общий КПД, от камер сгорания на ТЭС до пятна контакта покрышек колёс электромобиля с дорогой), равно 101,48 МДж/100км. Значит и его оппоненту, дизельному автомобилю, требуется те же самые 101,48 МДж/100км или около того. Однако, дизельный автомобиль затратил 277,12 МДж. Делаем вывод, что КПД автомобиля с дизельным двигателем (от камер сгорания в его двигателе и до пятна контакта покрышек его колёс с дорогой) составляет 36,6%. То есть, менее 35% КПД у электромобиля, против более 36% у автомобиля с дизельным двигателем (это мы ещё отопление салона электромобиля "не включали"). Остаётся только передать привет членам секты «Свидетелей святого духа, аккумуляторы электромобилей наполняющего, и пророка его на земле Илона Маска».

Кпд от розетки это

Специалисты Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) изготовили мощные лазерные диоды, излучающие в спектральном диапазоне 1060 нм. Новые устройства отличаются высокой эффективностью и по предварительным данным имеют значительный потенциал рабочего ресурса. Эти лазеры, имеющие непрерывную мощность до 10 Вт, будут использоваться в научных исследованиях, а также широко применяться в целом ряде практических областей.

В группе полупроводниковых лазеров нейтронно-физического отдела (НФО) ФИАН в течение ряда лет ведутся работы, направленные на повышение выходной мощности и срока службы лазерных диодов различных спектральных диапазонов. Лазерный диод это твердотельный лазер, рабочим веществом в котором служит полупроводник, точнее кристалл, изготовленный на основе многослойных наноразмерных полупроводниковых гетероструктур. Полупроводниковый кристалл (чип) современного лазерного диода имеет миниатюрные размеры (0,1×0,5×3 мм), а накачка активной области кристалла осуществляется непосредственно от компактного безопасного низковольтного источника питания (рабочее напряжение около 2 В). Диодные лазеры как законченное устройство — наиболее легкие, компактные и экономичные среди существующих типов лазеров (полный КПД от розетки составляет около 50 %), Поэтому они — лидеры продаж лазерного рынка (по данным журнала Laser Focus, более 60% мирового производства лазеров).
В последние годы бурное развитие технологии диодных лазеров позволило повысить ресурсную непрерывную выходную мощность одиночных излучателей до уровня 8—10 Вт при сроке службы более 5 тыс. часов — этого достаточно для решения многих практических задач. Однако резервы диодных лазеров далеко не исчерпаны, ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на повышение КПД лазерных чипов до 65 % и более, а также продолжается поиск более эффективных методов отвода тепла от активной области лазерного кристалла (необходимо найти новые методы отвода тепловых потоков экстремально высокой плотности более 5 кВт/см2). Продвижение к решению этих проблем позволит в ближайшее время повысить ресурсную мощность одиночных лазерных диодов до 15—20 Вт.
Особый интерес для разработчиков представляют диапазоны длин волн 805—808 нм и 915—980 нм. Лазеры с такими характеристиками необходимы для научных исследований, они применяются для накачки твердотельных и волоконных лазеров. Эти лазеры широко используются в медицинской аппаратуре и навигационных приборах.
В мае 2011 г. в группе были получены мощные, высокоэффективные и потенциально ресурсные лазерные диоды, излучающие в спектральном диапазоне 1060 нм. Наиболее перспективные направления их использования: имитаторы излучения мощных твердотельных лазеров диапазона 1047—1064 нм, а в ряде случаев — дешевая замена твердотельных лазеров этого диапазона. Кроме того, эти диоды послужат источником лазерного излучения для применения в медицине (в хирургии, гинекологии, онкологии и т. д.).
Говорит ведущий научный сотрудник группы полупроводниковых лазеров НФО ФИАН кандидат физико-математических наук Виктор Безотосный: «Важное преимущество лазерных диодов это возможность плавной перестройки длины волны излучения для попадания или отстройки от определенных полос поглощения материалов простыми способами вариации температуры теплоотводящего элемента и тока накачки. На основании предварительных исследований первой серии образцов лазеров этого спектрального диапазона можно отметить их высокую эффективность, воспроизводимость ватт-амперных характеристик и потенциально высокую надежность. При ресурсных испытаниях одиннадцати лазеров в течение 100 часов при выходной мощности 8 Вт на всей партии в пределах точности измерений не было зафиксировано уменьшения мощности. А совсем недавнее усовершенствование технологий металлизации теплоотводящих элементов и процессов монтажа еще более улучшило их параметры. На отдельных образцах получена рекордная для спектрального диапазона 1060 нм эффективность в непрерывном режиме работы — выходная мощность составила более 10 Вт при токе накачки 10 А. Также нам удалось кратковременно получить максимальную воспроизводимую непрерывную выходную мощность более 20 Вт при ширине полоскового контакта излучателя 120 мкм (плотность мощности на зеркале в пиковом режиме составила около 16,7 МВт/см2).
Сейчас в нашей группе продолжаются исследования, направленные на повышение ресурсной и максимальной выходной мощности, а также повышение надежности мощных диодных лазеров за счет применения сабмаунтов с высокой теплопроводностью (до 2000 Вт/мК) на основе искусственных алмазов, выращенных методом “plasma – CVD”».

36.png
Ватт-амперные характеристики первой серии из 11 лазерных диодов, собранных на теплоотводящих элементах типа C-маунт (условия измерений — термоэлектрическое охлаждение при температуре теплоотводящего элемента 20º С).

АНИ «ФИАН-информ»

37.png

Общий вид конструкции мощного лазерного диода, смонтированного на теплоотводящем элементе типа С-маунт с цилиндрической микролинзой (зеленый цвет) для фокусировки излучения по «быстрой оси».

38.png

Выходное зеркало (голубой цвет) смонтированного мощного лазерного диода.
Ширина кристалла (горизонтальное направление) — 0,5 мм, толщина кристалла
(вертикальное направление) — 0,1 мм.

39.png

Смонтированный чип мощного лазерного диода
(вид сверху), длина резонатора (горизонтальное направление) — 4 мм.

Обработка материалов с помощью мощных волоконных лазеров

Стремительный прогресс в разработке и развертывании серийного выпуска мощных (до нескольких десятков киловатт) волоконных лазеров заложил основу их широкого применения для различных технологических процессов, требующих высоких плотностей лазерной мощности — резки, сварки, локальной термообработки и др.

По сравнению с традиционными промышленными СО2 и ND:YAG лазерами мощные волоконные лазеры облают существенными преимуществами:

  • высоким КПД (до 30% «от розетки»);
  • в несколько раз меньшими габаритами и весом;
  • высокой стабильностью выходных параметров (около 1% по выходной мощности);
  • высоким качеством излучения;
  • волоконной доставкой лазерного излучения на десятки метров
  • высокой надежностью и большим ресурсом основных элементов и систем.

Тем не мeнee, у ряда специалистов ведущих фиpм, производящих лазерные комплексы (Тrumpf, Вystronics и др.), наблюдается определенный скептицизм относительно использования мощных волоконных лазеров для резки металлов, особенно большой толщины (свыше 10 мм). Это связано прежде всего с тем, что всего в мире находится в эксплуатации до тридцати тысяч лазерных комплексов на основе СО2 -лазеров, производство которых поставлено на поток, и их замена потребует как серьезных вложений от производителей, так и существенных затрат со стороны пользователей этого оборудования, а сам процесс модернизации займет не один год. Существенным фактором является также то, что волоконные лазеры киловаттного и мультикиловаттного уровня производятся серийно только международной группой IPG, частью которой является российская компания НТО «ИРЭ-Полюс» (г. Фрязино, Mocковская обл.).

В России в настоящее время действует около тысячи лазерных комплексов для резки, причем значительную долю в этом парке составляет «Second hand» западных фирм, а также оборудование, давно выработавшее свой ресурс и морально устаревшее. В связи с улучшением экономической ситуации в стране все большее количество компаний ориентируется на приобретение нового оборудования. Это создает благоприятные условия для ускоренного переоснащения ведущих отраслей промышленности современным лазерным технологическим оборудованием с мощными волоконными лазерами.

Необходимым условием быстрого внедрения лазерных технологий в различные отрасли является постоянная отработка технологических режимов для решения конкретных задач потребителей. Подобные работы ведутся рядом предприятий и научно-производственных центров в Москве, Московской области, Санкт-Петербурге, Воронеже, Самаре, Нижнем Новгороде, Ульяновске и других городах страны. Результаты работ, как в этих центрах, так и за рубежом показывают, что для толщины металла до 10 мм скорости резки волоконными лазерами могут быть в 2-3 раза выше, чем при тех же мощностях СО2 -лазеров. В наибольшей мере преимущества волоконных лазеров проявляются при резке алюминиевых сплавов, что связано с более высоким коэффициентом поглощения на длине волны иттербиевого лазера (1.07 мкм) по сравнению с СО2-лазерами (10,6 мкм) и высокой плотностью мощности в фокусе режущей лазерной головки. Достигнуты хорошие результаты по резке металлов большой толщины (рис.1-3).

Рис. 1 — Поверхность реза низкоуглеродистой стали толщиной 16 мм. Мощность волоконного лазера 2 кВт, скорость резки с кислородом 550 мм/мин

Рис. 2 — Поверхность реза низкоуглеродистой стали толщиной 20 мм. Мощность волоконного лазера 2,5 кВт, скорость резки с кислородом 600 мм/мин

Рис. 3 — Образец лазерной резки алюминиевого сплава толщиной 5,5 мм. Мощность волоконного лазера 1,1 кВт, скорость резки с воздухом 100 мм/мин

НТО «ИРЭ-Полюс» (разработчик и производитель мощных волоконных лазеров в России) совместно с Лазерным центром Московского инженерно-физического института (Университета) проводят на территории Лазерного центра МИФИ в Москве широкий спектр технологических работ по процессам резки, сварки, закалки, маркировки и другим операциям с использованием волоконных лазеров различных типов. В ближайшее время в Лазерном центре будет установлено несколько современных лазерных систем на основе роботов и высокоскоростных координатных столов для демонстрации возможностей мощных волоконных лазеров и ускорения внедрения этих технологий в промышленность. До недавнего времени использование мощных лазеров для лазерной сварки серьезно сдерживалось такими факторами, как сложность транспортировки излучения CO2-лазеров к трехмерным объектам с необходимостью движения по нескольким осям и недостаточной фокусировке излучения длиннофокусными оптическими системами, необходимыми для проведения дистанционной сварки, а также громоздкостью и низким КПД ND:YAG-лазеров мощностью более 1 кВт.

Рис. 4 — Образец сварки алюминиевого сплава толщиной 0,3 мм. Мощность волоконного лазера 700 Вт, скорость сварки около 1 м/мин

Рис. 5 — Сварка стали толщиной 50,8 мм (двухсторонняя). Мощность волоконного лазера 20 кВт, скорость сварки 600 мм/мин (выполнено IPG Laser GmbH)

Следует отметить, что лазерная сварка требует разработки оснастки практически для каждого технологического процесса, поэтому ведётся совместная работа технологов и производителей лазерного оборудования для промышленной реализации процесса.

Благодаря высокому коэффициенту поглощения металлов на длине волны излучения волоконных лазеров эффективность лазерной термообработки, по сравнению с CO2-лазерами, существенно возрастает. Как показывают проведенные работы по термоупрочнению ряда материалов, возможно изменение структуры материала на глубину порядка одного миллиметра без оплавления поверхности и со скоростями несколько метров в минуту.

Помимо обработки металлов, волоконные лазеры с успехом можно применять для очистки внутренних поверхностей труб от накипи (в Лазерном центре МИФИ была выполнена отработка этого процесса) и для резки бетонных конструкций.

Таким образом, надежные, эффективные и стабильные промышленные волоконные лазеры, обладающие уникальными для подобного оборудования характеристиками, позволяют создавать разнообразные лазерные комплексы для широкого применения в различных отраслях.

Межевов В.С.
к.ф.-м.н.(НТО «ИРЭ-Полюс»)
Петровский В.Н.
к.ф.-м.н.(Лазерный центр МИФИ)
20.06.2008

Согласие на обработку персональных данных

Пользователь, посещающий Сайт unimach.ru (далее – «Сайт»), вправе принять настоящее Согласие на обработку персональных данных (далее — Согласие). А акцептом оферты является проставление Пользователем «галочки» и нажатие кнопки «Дать согласие на обработку персональных данных» в размещенной для этой цели веб-форме раздела Сайта, касающегося предоставления персональных данных в формах обратной связи. Пользователь дает свое согласие ООО «НПК Морсвязьавтоматика» (далее – ООО «НПК МСА», «Оператор»), которому принадлежит Сайт, расположенное по адресу: 192174, г. Санкт-Петербург, ул. Кибальчича, д.26, лит. Е, на обработку своих персональных данных со следующими условиями:

Данное Согласие дается на обработку персональных данных как без, так и с использованием средств автоматизации.

Согласие на обработку персональных данных Пользователя дается с целью использования ООО «НПК МСА» данных для осуществления обработки запросов, коммуникаций и аналитики действий Пользователей на Сайте. Согласие предоставлено для использования следующих персональных данных: фамилия, имя, отчество; номера контактных телефонов; адреса электронной почты; место работы и занимаемая должность; адрес; сведения о местоположении; тип, версия, язык операционной системы, браузера; тип устройства и разрешение его экрана; страницы, открываемые пользователем; ip-адрес и др.

С персональными данными могут быть совершены следующие действия: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (распространение, предоставление, доступ), обезличивание, блокирование, удаление, уничтожение.

Сбор персональных данных Пользователей Сайта производится через формы обратной связи, которые Пользователь заполняет собственноручно. Также персональные данные могут быть получены Компанией, если их владелец указывает их в электронном письме, отправляемом в Компанию на адреса, указанные на Сайте. Оператор обеспечивает сохранность персональных данных и принимает все возможные меры, исключающие доступ к персональным данным неуполномоченных лиц.

Также на Сайте происходит сбор и обработка обезличенных данных о Пользователях (в т.ч. файлов «cookie») с помощью сервисов интернет-статистики (Яндекс Метрика и Гугл Аналитика и других). Обезличенные данные Пользователей, собираемые с помощью сервисов интернет-статистики, служат для сбора информации о действиях Пользователей на Сайте, улучшения качества сайта и его содержания. Оператор обрабатывает обезличенные данные о Пользователе в случае, если это разрешено в настройках браузера Пользователя (включено сохранение файлов «cookie» и использование технологии JavaScript).

Передача персональных данных третьим лицам осуществляется на основании законодательства Российской Федерации, договора с участием субъекта персональных данных или с его согласия.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Какие должны быть розетки для деревянного дома
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector