Открыть сервис
Главная → Блог → Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) — безразмерная величина, характеризующая эффективность преобразования, передачи или использования энергии (мощности) в том или ином устройстве, машине, механизме или технологическом процессе. Численно КПД равен отношению полезно использованной (отданной) энергии к затраченной (подведённой) и обычно выражается в долях единицы или в процентах. Поскольку часть энергии всегда рассеивается в виде тепла, трения, излучения и других потерь, КПД реальных систем строго меньше единицы, а КПД идеального устройства без потерь был бы равен 100 %.

Определение и формулы

В общем виде КПД обозначается греческой буквой η (эта) и определяется как:

η = A_полезн / Q_затр,

где A_полезн — полезная работа (или полезная энергия), а Q_затр — затраченная энергия. Для мощности формула принимает вид η = P_полезн / P_затр. Величина безразмерна, но её часто умножают на 100 % и указывают в процентах.

Различают КПД отдельного элемента (например, редуктора или электродвигателя) и КПД всей установки или цепочки устройств. При последовательном соединении механизмов общий КПД равен произведению КПД отдельных звеньев, поэтому многоступенчатые системы всегда имеют более низкий итоговый показатель, чем каждое из звеньев в отдельности.

История понятия

Представление о полезной работе и потерях возникло вместе с развитием механики и теплотехники. В XVII–XVIII веках, с появлением водяных и паровых машин, инженеры столкнулись с необходимостью сравнивать эффективность разных двигателей. Понятие «полезное действие» машин разрабатывалось в работах по механике и теории машин; в XIX веке, после формулировки законов термодинамики, стало ясно, что КПД тепловых машин принципиально ограничен вторым началом термодинамики. Французский инженер Сади Карно показал, что максимальный КПД теплового двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника и не может быть выше значения цикла Карно.

КПД тепловых машин

Для тепловых двигателей КПД определяется отношением полезной механической работы к количеству теплоты, полученной от нагревателя. Предельный (идеальный) КПД цикла Карно:

η = 1 − T_хол / T_нагр,

где температуры выражены в абсолютной шкале (кельвинах). Реальные показатели ниже:

  • паротурбинные установки на тепловых электростанциях — около 33–40 %;
  • газотурбинные установки — 30–40 %, в парогазовом цикле — до 55–60 %;
  • двигатели внутреннего сгорания (бензиновые) — 20–35 %;
  • дизельные двигатели — 35–45 %;
  • паровые машины исторических конструкций — 5–15 %.

Значительная часть энергии теряется с отходящими газами, охлаждающей водой и на трение.

КПД электрических устройств

Электрические машины и преобразователи обладают, как правило, более высоким КПД, поскольку потери связаны в основном с нагревом обмоток и магнитопровода:

  • трансформаторы большой мощности — 97–99 %;
  • асинхронные электродвигатели — 80–95 %;
  • генераторы — 90–98 %;
  • линии электропередачи — зависят от длины и напряжения, потери составляют от нескольких процентов до десятков процентов.

Повышение КПД достигается увеличением сечения проводников, применением более качественных магнитных материалов и оптимизацией режимов работы.

КПД в освещении и бытовой технике

В светотехнике различают световую отдачу и КПД осветительного прибора. Лампы накаливания преобразуют в видимый свет лишь около 5 % потребляемой энергии, остальное уходит в тепло. Газоразрядные и светодиодные источники существенно эффективнее: светодиодные светильники имеют КПД преобразования энергии в излучение порядка 30–50 %, а с учётом оптических потерь светильника — 80–90 % по отношению к излучению самого светодиода. В бытовой технике классы энергоэффективности (от A до G) фактически отражают близкие по смыслу показатели полезного использования энергии.

Факторы, влияющие на КПД

На величину КПД влияют:

  • потери на трение в механизмах;
  • электрические потери (нагрев проводников);
  • магнитные потери (гистерезис, вихревые токи);
  • тепловые потери с отходящими газами и охлаждением;
  • потери на излучение и в окружающую среду;
  • режим работы: КПД максимален вблизи номинальной нагрузки и падает при недогрузке или перегрузке.

Значение и применение

Расчёт КПД применяется при проектировании двигателей, турбин, генераторов, трансформаторов, насосов, компрессоров, а также при оценке энергетических установок и технологических линий. Показатель используется в энергетике для сравнения станций, в промышленности — для оценки экономичности оборудования, в быту — при выборе техники по классу энергоэффективности. Рост КПД прямо связан с экономией топлива и снижением нагрузки на окружающую среду, поэтому повышение эффективности является одним из направлений научно-технического развития.

КПД в экономике и технике

Понятие КПД иногда переносят на экономические и организационные процессы, понимая под ним отношение полученного результата к затраченным ресурсам (труду, времени, средствам). В этом смысле говорят о коэффициенте полезного действия производственных процессов, хотя строгого физического определения здесь нет. В инженерной практике различают также коэффициент полезного использования топлива, коэффициент полезного действия по мощности и другие частные показатели.

Рекорды и пределы

Наиболее высокие КПД достигаются в крупных электрических машинах и трансформаторах — до 99 %. Для тепловых машин физический предел задан циклом Карно и температурой источников. В фотоэлектрических преобразователях КПД лабораторных образцов превышает 40 % для многокаскадных структур, серийные солнечные панели имеют КПД 15–22 %. Дальнейшее повышение эффективности связано с новыми материалами, снижением потерь и оптимизацией конструкций.

Источники: учебники по общей физике и термодинамике, справочники по электротехнике и теплотехнике, материалы по энергоэффективности.

Похожие материалы