Что такое КПД? Расшифровка аббревиатуры

Что такое коэффициент полезного действия (КПД)? Эта аббревиатура известна каждому, кто хотя бы немного интересовался техникой. Но многие ли знают, что она означает на самом деле и откуда взялась? Давайте разберемся!

1. Определение КПД

Итак, что такое коэффициент полезного действия? Это безразмерная величина, характеризующая эффективность системы в плане преобразования или передачи энергии. Обозначается КПД чаще всего греческой буквой η («эта»).

Математически КПД определяется по формуле:

η = A / Q

где A – полезно использованная энергия (работа);

Q – суммарное количество подведенной к системе энергии.

Таким образом, КПД показывает, какая часть поступившей энергии была превращена в полезную работу, а какая безвозвратно потеряна. Этот показатель характеризует эффективность любой энергетической установки: будь то двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, турбина или даже простейший механизм вроде наклонной плоскости.

2. История термина

КПД это расшифровка сокращения, которое появилось в XIX веке вместе с зарождением термодинамики как науки. Тогда инженеры впервые столкнулись с необходимостью оценить эффективность работы паровых машин.

Понятие КПД было введено в 1824 году французским инженером Сади Карно в его работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Именно Карно впервые четко сформулировал, что существуют неустранимые потери энергии в тепловых процессах. А значит, невозможно полностью превратить тепло в механическую работу. Отсюда родилось понятие КПД как отношение полезной работы к подведенной энергии.

C тех пор значение термина практически не менялось. Разве что физики XIX века подразумевали под «полезной» работой именно механическую. А в XX веке это понятие расширилось до любой формы энергии, которая может быть использована по назначению.

Также появились и другие определения КПД – например, отношение мощности на валу двигателя к подведенной мощности топлива. Но суть осталась той же.

3. Виды КПД

Расшифровка аббревиатуры КПД включает множество разных значений этого показателя. В зависимости от типа установки КПД может сильно варьироваться.

• У современных электродвигателей КПД достигает 95% и выше. Это обусловлено минимальными потерями энергии в таких системах.
• КПД лучших двигателей внутреннего сгорания (дизельных с турбонаддувом) составляет порядка 50%. Потери здесь гораздо выше из-за неполного сгорания топлива и большого количества тепла, уходящего в отработавших газах.
• У механических устройств типа наклонной плоскости КПД обычно не превышает 30-40%. Причиной являются большие потери на трение.

Коэффициент полезного действия может рассчитываться в разных вариациях для одной и той же системы. Например, для двигателя внутреннего сгорания различают индикаторный, эффективный и механический КПД. Последний показывает, какая часть энергии топлива была преобразована в механическую энергию на выходном валу. А индикаторный КПД учитывает только эффективность процесса сгорания в цилиндрах, без учета всех последующих потерь.

Таким образом, максимальное значение КПД теоретически равно 100%, но на практике оно всегда меньше для реальных систем. Даже самые эффективные установки не могут полностью исключить потери энергии в процессе работы.

4. Значения КПД в реальных условиях

На практике чему равно максимальное значение КПД для различных систем?

• У современных автомобилей с бензиновыми двигателями КПД редко превышает 25%. Это обусловлено большими потерями тепла через систему охлаждения и с отработавшими газами.
• У дизельных двигателей с турбонаддувом КПД может доходить до 45%. Это достигается благодаря более эффективному процессу сгорания топлива по сравнению с бензиновыми аналогами.
• КПД лучших паровых турбин электростанций составляет около 42%. При этом сравнительно низкий КПД компенсируется гигантской мощностью таких установок.

В чем причина отклонений реального КПД от идеального значения 100%? Все дело в неустранимых потерях энергии, возникающих в процессе работы механизмов.

5. Факторы, влияющие на КПД

На величину КПД влияет множество факторов:

• Качество рабочего тела (топлива)
• Температура нагрева и охлаждения
• Степень сжатия в цилиндрах двигателей
• Чистота поверхностей трения
• Точность изготовления деталей
• Мощность вспомогательных агрегатов
• И так далее

Чем выше качество рабочего тела, тем больше энергии можно извлечь из единицы его массы. Чем чище поверхности трения - тем меньше теряется энергии на их преодоление. И так далее. Грамотный выбор и оптимизация всех этих параметров позволяет повысить КПД системы.

6. Пути повышения КПД

Как же можно увеличить коэффициент полезного действия механизмов и установок? Основные направления работ здесь таковы:

1. Снижение всех видов потерь энергии
2. Повышение качества рабочего тела
3. Оптимизация режимов работы
4. Внедрение инновационных технологий

Например, для автомобильных двигателей актуально совершенствование системы зажигания, повышение степени сжатия, доработка форсунок, внедрение турбонаддува и так далее. Все эти меры направлены на то, чтобы максимально полезно использовать энергию топлива, поступающего в цилиндры.

А в механических системах огромный потенциал экономии кроется в применении новых конструкционных материалов, снижающих трение, в использовании высокоточных подшипников и совершенной смазки.

7. Перспективы роста КПД

Несмотря на впечатляющий прогресс, достигнутый в повышении КПД машин и механизмов, потенциал здесь далеко не исчерпан. Ученые прогнозируют, что в ближайшие десятилетия появятся принципиально новые технологии, которые позволят приблизить КПД к идеальным значениям.

В частности, ведутся работы по созданию топливных элементов - электрохимических генераторов, способных напрямую превращать химическую энергию топлива в электричество. Их КПД в перспективе может достичь 80-90%. Это позволит на качественно новом уровне решить задачу энергосбережения и повысить энергоэффективность техники.

8. Влияние КПД на расход топлива

Коэффициент полезного действия напрямую влияет на расход топлива транспортными средствами и другими энергоустановками. Чем выше КПД - тем меньше топлива нужно для выполнения заданной работы.

Например, при прочих равных условиях автомобиль с двигателем, имеющим КПД 30%, будет расходовать на треть больше бензина, чем аналогичная машина с мотором КПД 40%.

9. Экономия ресурсов благодаря КПД

Рост КПД позволяет экономить не только финансы на топливе, но и сберегать сами энергоресурсы - нефть, газ, уголь. Меньший расход этих ископаемых на выработку единицы энергии означает их более рациональное использование и меньшую нагрузку на окружающую среду.

10. Экологический аспект КПД

Чем выше КПД энергоустановки - тем меньше вредных веществ она выбрасывает в атмосферу на единицу произведенной энергии. А значит, рост КПД напрямую снижает негативное воздействие на экологию.

К примеру, при КПД в 40% автомобильный двигатель выбросит в 2 раза меньше продуктов неполного сгорания топлива, чем при КПД 20%.

11. КПД и энергобезопасность

Экономия энергоресурсов благодаря высокому КПД машин и механизмов имеет и важное геополитическое значение. Чем ниже удельный расход топлива в стране - тем меньше она зависит от импорта нефти и газа. А значит, КПД напрямую влияет на энергетическую безопасность государства.