Тепловая эффективность

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистическая Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Фаза (материя) Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\ Displaystyle \ альфа =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Онсагер взаимные отношения Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Возможности Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии неоднородных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Другой Зарождение Самостоятельная сборка Самоорганизация Порядок и беспорядок
Книга Категория
v т е

В термодинамике , то тепловой коэффициент полезное действия ( ) представляет собой безразмерная производительность мера устройства , которое использует тепловую энергию , такие как двигатель внутреннего сгорания , в паровой турбине или паровой двигатель , в котел , печь или холодильник , например. Для теплового двигателя термический КПД - это доля энергии, добавленной за счет тепла ( первичная энергия ), которая преобразуется в чистый выход работы (вторичная энергия). В случае цикла охлаждения или теплового насоса${\ displaystyle \ eta _ {\ rm {th}}}$, тепловой КПД - это отношение полезной тепловой мощности для обогрева или отвода для охлаждения к затраченной энергии (коэффициент полезного действия).

Обзор [ править ]

В общем, эффективность преобразования энергии - это соотношение между полезной выходной мощностью устройства и входом в энергетическом выражении. Что касается теплового КПД, ввод в устройство представляет собой тепло или теплосодержание потребляемого топлива. Желаемый результат - это механическая работа , или тепло , или, возможно, и то, и другое. Поскольку подводимое тепло обычно связано с реальными финансовыми затратами, запоминающееся общее определение термического КПД выглядит следующим образом ^[1]${\ displaystyle Q _ {\ rm {in}}}$${\displaystyle W_{\rm {out}}}$${\displaystyle Q_{\rm {out}}}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {\text{benefit}}{\text{cost}}}.}$

Согласно первому закону термодинамики , выход энергии не может превышать вход, а согласно второму закону термодинамики он не может быть равен в неидеальном процессе, поэтому

${\displaystyle 0\leq \eta _{\rm {th}}<1}$

Выраженный в процентах, тепловой КПД должен составлять от 0% до 100%. Эффективность обычно меньше 100%, потому что есть неэффективность, такая как трение и потеря тепла, которые преобразуют энергию в альтернативные формы. Например, типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с КПД около 25%, а пиковая мощность крупной электростанции, работающей на угле, составляет около 46%. Достижения в правилах автоспорта Формулы 1 подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов, пик которых составляет около 45%. 50% тепловой КПД. Самый большой дизельный двигатель в мире - 51,7%. Тепловой КПД электростанции с комбинированным циклом приближается к 60%. ^[2] Такое реальное значение можно использовать как показатель качества устройства.

Для двигателей, в которых сжигается топливо, существует два типа теплового КПД: указанный тепловой КПД и тепловой КПД тормозов. ^[3] Эта эффективность подходит только при сравнении аналогичных типов или аналогичных устройств.

Для других систем особенности расчета эффективности различаются, но безразмерный ввод остается прежним. Эффективность = выходная энергия / входная энергия

Тепловые двигатели [ править ]

Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию , или тепло, Q _in в механическую энергию , или работу , W _out . Они не могут сделать эту задачу прекрасно, так что некоторые из входных тепловой энергии не превращаются в работу, но рассеиваются в виде тепла отходов Q _вне в окружающую среду

${\displaystyle Q_{in}=W_{\rm {out}}+Q_{\rm {out}}\,}$

Тепловой КПД теплового двигателя - это процент тепловой энергии, которая преобразуется в работу . Термический КПД определяется как

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {W_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{\rm {in}}}-Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}=1-{\frac {Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}}$

КПД даже самых лучших тепловых машин невысок; обычно ниже 50% и часто намного ниже. Таким образом, энергия, теряемая тепловыми двигателями в окружающую среду, - это большая трата энергоресурсов. Поскольку большая часть производимого в мире топлива идет на тепловые двигатели, возможно, до половины полезной энергии, производимой во всем мире, тратится впустую из-за неэффективности двигателей, хотя современные схемы когенерации , комбинированного цикла и рециркуляции энергии начинают использовать это тепло для других целей. . Эту неэффективность можно объяснить тремя причинами. Существует общий теоретический предел эффективности любого теплового двигателя из-за температуры, который называется КПД Карно. Во-вторых, у определенных типов двигателей есть более низкие пределы их эффективности из-за присущихнеобратимость используемого ими цикла двигателя . В-третьих, неидеальное поведение реальных двигателей, такое как механическое трение и потери в процессе сгорания, приводит к дальнейшим потерям эффективности.

Эффективность Карно [ править ]

Второй закон термодинамики ставит фундаментальный предел тепловой эффективности всех тепловых двигателей. Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать в работу около 100% подводимого тепла. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло , измеренные в абсолютной шкале, такой как шкала Кельвина или Ренкина . Из теоремы Карно для любого двигателя, работающего между этими двумя температурами: ^[4]${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}\,}$

Это предельное значение называется КПД цикла Карно, потому что это КПД недостижимого, идеального, обратимого цикла двигателя, называемого циклом Карно . Ни одно устройство, преобразующее тепло в механическую энергию, независимо от его конструкции, не может превзойти эту эффективность.

Примерами являются температура горячего пара, входящего в турбину паровой электростанции , или температура, при которой топливо сгорает в двигателе внутреннего сгорания . Обычно это температура окружающей среды, в которой расположен двигатель, или температура озера или реки, в которые отводится отработанное тепло. Например, если автомобильный двигатель сжигает бензин при температуре и температуре окружающей среды , то его максимально возможный КПД составляет:${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}}\,}$

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}\right)100\%=73.0\%}$

Можно видеть, что, поскольку это фиксируется окружающей средой, единственный способ для конструктора повысить КПД двигателя по Карно - это увеличить температуру, при которой в двигатель добавляется тепло. Эффективность обычных тепловых двигателей также обычно увеличивается с увеличением рабочей температуры , а современные конструкционные материалы, которые позволяют двигателям работать при более высоких температурах, являются активной областью исследований.${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$

По другим причинам, подробно описанным ниже, практические двигатели имеют КПД намного ниже предела Карно. Например, средний автомобильный двигатель имеет КПД менее 35%.

Теорема Карно применима к термодинамическим циклам, где тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива непосредственно в электрическую работу, такие как топливные элементы , могут превышать КПД Карно.^{[5] [6]}

Эффективность цикла двигателя [ править ]

Цикл Карно обратим и, таким образом, представляет собой верхний предел эффективности цикла двигателя. Практические циклы двигателя необратимы и, следовательно, имеют более низкий КПД, чем КПД Карно при работе между теми же температурами и . Одним из факторов, определяющих эффективность, является то, как тепло добавляется к рабочему телу в цикле и как оно удаляется. Цикл Карно обеспечивает максимальную эффективность, поскольку все тепло добавляется к рабочему телу при максимальной температуре и отводится при минимальной температуре.${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {H}}\,}$${\displaystyle T_{\rm {C}}\,}$. Напротив, в двигателе внутреннего сгорания температура топливно-воздушной смеси в цилиндре не приближается к пиковой температуре, когда топливо начинает гореть, и достигает максимальной температуры только тогда, когда все топливо израсходовано, поэтому средняя температура при котором добавляется меньше тепла, что снижает эффективность.

Важным параметром КПД двигателей внутреннего сгорания является удельная теплоемкость топливовоздушной смеси γ . Это значение несколько меняется в зависимости от топлива, но обычно близко к значению для воздуха 1,4. Это стандартное значение обычно используется в приведенных ниже уравнениях цикла двигателя, и когда это приближение сделано, цикл называется стандартным для воздуха .

• Цикл Отто: автомобили Цикл Отто - это название цикла, используемого в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием , таких как бензиновые и водородные автомобильные двигатели . Его теоретический КПД зависит от степени сжатия r двигателя и удельной теплоемкости газа γ в камере сгорания. ^{[4] : 558}

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\,}$

Таким образом, эффективность увеличивается с увеличением степени сжатия. Однако степень сжатия двигателей с циклом Отто ограничена необходимостью предотвратить неконтролируемое сгорание, известное как детонация . Современные двигатели имеют степень сжатия в диапазоне от 8 до 11, что обеспечивает идеальный КПД цикла от 56% до 61%.

• Дизельный цикл: грузовики и поезда В дизельном цикле, используемом в дизельных двигателях грузовиков и поездов , топливо воспламеняется за счет сжатия в цилиндре. КПД цикла дизельного топлива зависит от р и Г , как цикл Отто, а также от коэффициента отсечки , т _с , что отношение объема цилиндра в начале и в конце процесса сгорания: ^[4]

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}}-1)}}\,}$

Дизельный цикл менее эффективен, чем цикл Отто при той же степени сжатия. Однако практические дизельные двигатели на 30-35% эффективнее бензиновых. ^[7] Это связано с тем, что, поскольку топливо не вводится в камеру сгорания до тех пор, пока оно не потребуется для зажигания, степень сжатия не ограничивается необходимостью предотвращения детонации, поэтому используются более высокие передаточные числа, чем в двигателях с искровым зажиганием.

• Цикл Ренкина: паровые электростанции Цикл Ренкина - это цикл, используемый в паротурбинных электростанциях. Подавляющая часть электроэнергии в мире вырабатывается с помощью этого цикла. Поскольку рабочая жидкость цикла, вода, во время цикла переходит из жидкости в пар и обратно, их эффективность зависит от термодинамических свойств воды. Тепловой КПД современных паротурбинных установок с циклами повторного нагрева может достигать 47%, а в установках с комбинированным циклом , в которых паровая турбина приводится в действие за счет тепла выхлопных газов газовой турбины, он может приближаться к 60%. ^[4]
• Цикл Брайтона: газовые турбины и реактивные двигатели Цикл Брайтона - это цикл, используемый в газовых турбинах и реактивных двигателях . Он состоит из компрессора, который увеличивает давление поступающего воздуха, затем топливо непрерывно добавляется в поток и сжигается, а горячие выхлопные газы расширяются в турбине. Эффективность во многом зависит от отношения давления внутри камеры сгорания p ₂ к давлению снаружи p ₁ ^[4]

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\bigg (}{\frac {p_{2}}{p_{1}}}{\bigg )}^{\frac {1-\gamma }{\gamma }}\,}$

Другие недостатки [ править ]

Не следует путать термический КПД с другими КПД, которые используются при обсуждении двигателей. Приведенные выше формулы эффективности основаны на простых идеализированных математических моделях двигателей без трения и рабочих жидкостей, которые подчиняются простым термодинамическим правилам, называемым законом идеального газа . Реальные двигатели имеют много отклонений от идеального поведения, которые тратят энергию, снижая фактический КПД ниже теоретических значений, указанных выше. Примеры:

• трение движущихся частей
• неэффективное сгорание
• потери тепла из камеры сгорания
• отклонение рабочего тела от термодинамических свойств идеального газа
• аэродинамическое сопротивление воздуха, движущегося через двигатель
• энергия, используемая вспомогательным оборудованием, таким как масляные и водяные насосы.
• неэффективные компрессоры и турбины
• несовершенные фазы газораспределения

Эти факторы можно учитывать при анализе термодинамических циклов, однако обсуждение того, как это сделать, выходит за рамки данной статьи.

Преобразование энергии [ править ]

Для устройства, которое преобразует энергию из другой формы в тепловую энергию (например, электронагреватель, бойлер или печь), тепловой КПД равен

${\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}}$

где величины являются эквивалентными по теплу величинами.${\displaystyle Q}$

Таким образом, для котла, который производит 210 кВт (или 700 000 БТЕ / ч) на каждые 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ / ч) теплового эквивалента на входе, его тепловой КПД составляет 210/300 = 0,70, или 70%. Это означает, что 30% энергии теряется в окружающей среде.

Электрический резистивный нагреватель имеет тепловую эффективность , близкий к 100%. ^[8] При сравнении нагревательных элементов, таких как высокоэффективный резистивный нагреватель, с печью, работающей на природном газе, КПД 80%, необходимо провести экономический анализ для определения наиболее экономичного выбора.

Влияние теплотворной способности топлива [ править ]

Теплотворная из топлива представляет собой количество тепла выпущен в ходе экзотермической реакции (например, горения ) и является характеристикой каждого вещества. Он измеряется в единицах энергии на единицу вещества, обычно массы , например: кДж / кг, Дж / моль .

Теплотворная способность топлива выражается как HHV, LHV или GHV, чтобы различать теплоту фазовых переходов:

• Более высокая теплотворная способность ( HHV ) определяется возвращением всех продуктов сгорания к исходной температуре до сгорания и, в частности, конденсацией любого образующегося пара. Это то же самое, что и термодинамическая теплота сгорания .
• Более низкая теплотворная способность ( НТС ) (или низшая теплотворная способность ) определяется путем вычитания теплоты испарения водяного пара из более высокой теплотворной способности. Таким образом, энергия, необходимая для испарения воды, не реализуется в виде тепла.
• Полная теплотворная способность учитывает воду в выхлопных газах, уходящих в виде пара, и включает жидкую воду в топливе перед сгоранием. Это значение важно для таких видов топлива, как древесина или уголь , которые обычно содержат некоторое количество воды перед сжиганием.

Используемое определение теплотворной способности существенно влияет на любую указанную эффективность. Если не указывать, является ли эффективность HHV или LHV, такие цифры вводят в заблуждение.

Тепловые насосы и холодильники [ править ]

Тепловые насосы , холодильники и кондиционеры используют работу для передачи тепла из более холодного места в более теплое, поэтому их функция противоположна функции теплового двигателя. Работа энергия ( Вт _в ) , который применяется к ним преобразуются в тепло, и сумма этой энергии и тепловой энергии , которая перемещается из холодного резервуара ( Q _C ) равна суммарная тепловой энергия добавляется к горячему резервуару ( Q _H )

${\displaystyle Q_{\rm {H}}=Q_{\rm {C}}+W_{\rm {in}}\,}$

Их эффективность измеряется коэффициентом полезного действия (COP). Тепловые насосы измеряются эффективностью, с которой они добавляют тепло к горячему резервуару, COP _{отопления} ; холодильники и кондиционеры по эффективности отвода тепла из холодного салона, _{охлаждение} COP :

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\equiv {\frac {Q_{\rm {H}}}{W_{\rm {in}}}}\,}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\equiv {\frac {Q_{\rm {C}}}{W_{\rm {in}}}}\,}$

Причина, по которой термин «коэффициент полезного действия» используется вместо «КПД», заключается в том, что, поскольку эти устройства перемещают тепло, а не создают его, количество тепла, которое они перемещают, может быть больше, чем входная работа, поэтому COP может быть больше чем 1 (100%). Следовательно, тепловые насосы могут быть более эффективным способом обогрева, чем просто преобразование входящей работы в тепло, как в электронагревателе или печи.

Поскольку они являются тепловыми двигателями, эти устройства также ограничены теоремой Карно . Предельное значение «эффективности» Карно для этих процессов с равенством, теоретически достижимым только при идеальном «обратимом» цикле, составляет:

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\leq {\frac {T_{\rm {H}}}{T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {heating,carnot} }}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\leq {\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling,carnot} }}$

Одно и то же устройство, используемое при одинаковых температурах, более эффективно, если рассматривать его как тепловой насос, чем как холодильник:

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }-\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }=1\,}$

Это связано с тем, что при нагревании работа, используемая для запуска устройства, преобразуется в тепло и добавляет желаемый эффект, тогда как, если желаемый эффект заключается в охлаждении, тепло, возникающее в результате входной работы, является просто нежелательным побочным продуктом. Иногда термин «КПД» используется для обозначения отношения достигнутого COP к COP Карно, которое не может превышать 100%. ^[9]

Энергоэффективность [ править ]

«Термический КПД» иногда называют энергоэффективностью . В Соединенных Штатах в повседневном использовании SEER является более распространенным показателем энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов в их режиме нагрева. Для нагревательных устройств с преобразованием энергии часто указывается их пиковая стационарная тепловая эффективность, например, «эта печь эффективна на 90%», но более подробным показателем сезонной энергоэффективности является годовая эффективность использования топлива (AFUE). ^[10]

Теплообменники [ править ]

Противоточный теплообменник является наиболее эффективным типом теплообменника для передачи тепловой энергии от одного контура к другому. Однако для более полного представления об эффективности теплообменника необходимо учитывать эксергетические соображения. Тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания обычно выше, чем у двигателей внешнего сгорания.

См. Также [ править ]

• Калина цикл
• Электрический КПД
• Механический КПД
• Тепловой двигатель
• Федеральный налоговый кредит на кровельные материалы за энергоэффективность (США)
• Низкая теплотворная способность
• Относительная стоимость электроэнергии, произведенной из разных источников
• Более высокая теплотворная способность
• Эффективность преобразования энергии

Ссылки [ править ]