КПД — коэффициент полезного действия¶

КПД (коэффициент полезного действия) — безразмерная величина, характеризующая эффективность преобразования энергии или работы в технических устройствах, машинах и системах. Определяется как отношение полезной энергии (работы) к затраченной энергии (работе) и выражается дробью от 0 до 1 либо в процентах. КПД является одной из ключевых характеристик теплоэнергетического и механического оборудования и используется при проектировании, испытаниях и эксплуатации техники.

¶Определение и формулы

Математически КПД записывается как:

η = A_полез / A_затр = Q_полез / Q_затр,

где η (эта) — КПД, A — работа, Q — энергия (обычно тепловая). Поскольку полезная работа всегда меньше затраченной (из-за потерь), η < 1. В технике КПД часто выражают в процентах: η% = η · 100 %.

Различают понятия:

• КПД — отношение полезной работы к затраченной;
• КПД двигателя — отношение работы, совершаемой рабочим телом, к теплоте, отданной топливом;
• КПД передачи — отношение мощности на выходе к мощности на входе;
• КПД полезного действия — иногда используется как синоним общего КПД.

Для цепей, состоящих из последовательно соединённых звеньев, общий КПД равен произведению КПД отдельных звеньев: η_общ = η₁ · η₂ · … · ηₙ. Это объясняет, почему сложные системы (например, ТЭС с турбиной, генератором и линией электропередачи) имеют суммарный КПД существенно ниже КПД отдельных агрегатов.

¶История

Понятие КПД сформировалось в XVIII–XIX веках в связи с развитием тепловых машин. Сначала инженеры сравнивали паровые машины с водяными, используя так называемый «лошадиный эквивалент» (лошадиная сила Джеймса Уатта). Для оценки эффективности паровой машины Сади Карно в 1824 году ввёл понятие идеального цикла, а затем — предельный КПД тепловой машины, работающей между двумя тепловыми резервуарами:

η_макс = 1 − T_холод / T_горяч,

где температуры измеряются в кельвинах. Этот результат стал основой второго начала термодинамики и показал, что КПД тепловой машины не может достичь единицы.

¶КПД различных систем

¶Тепловые машины

КПД паровой турбины на современных ТЭС составляет 35–45 %, газовой турбины — 25–40 %, дизельного двигателя — 35–45 %, бензинового — 20–30 %. Совокупный КПД тепловой электростанции (с учётом потерь в генераторе и линиях электропередачи) обычно не превышает 30–40 %.

¶Электрические машины и устройства

КПД трансформатора достигает 95–99 %, электродвигателя — 80–95 %, лампы накаливания — 2–5 % (остальное уходит в тепло), светодиодной лампы — 30–50 %, солнечной батареи — 15–22 % (лабораторные образцы — до 47 %).

¶Организмы

Биологические системы также характеризуются эффективностью: КПД мышечного сокращения составляет около 20–25 %, что сопоставимо с тепловыми машинами. КПД фотосинтеза в природе не превышает 3–6 %.

¶Потери и повышение КПД

Потери энергии в реальных системах обусловлены трением, электрическим сопротивлением, теплопередачей, вихревыми течениями и другими факторами. Повышение КПД — одна из центральных задач энергетики и машиностроения. Используются следующие методы:

• изоляция и рекуперация тепла;
• применение подшипников качения вместо скольжения;
• использование частотных преобразователей для электродвигателей;
• комбинированные циклы (ГТУ-ПГУ) на электростанциях, доводящие КПД до 55–62 %;
• когенерация (производство тепла и электроэнергии одновременно).

¶Применение понятия

КПД используется при сравнении альтернативных технологий, расчёте энергопотребления, стандартизации оборудования и в учебных курсах физики и техники. Показатель КПД нормируется ГОСТ и техническими условиями на конкретные изделия.

¶Интересные факты

• Идеальная тепловая машина Карно между 500 K и 300 K имеет КПД 40 %, что близко к реальным паровым турбинам.
• Самый высокий КПД среди массовых тепловых машин имеют дизели на крупных судах — до 55 %.
• В 2023 году учёные из Китая заявили о создании солнечной батареи с КПД 33,9 % в промышленном формате.

¶Источники

• Сивухин Д. В. «Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика»
• Фейнман Р. «Лекции по физике», том 1
• ГОСТ 16317-67 «Электрические машины. Термины и определения»
• Бардин И. П., Бардин В. И. «Термодинамика»
• Учебник «Техническая термодинамика» под ред. А. В. Чичикова