Тепловая эффективность - Википедия - Thermal efficiency

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса 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 курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы 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 Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал 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 расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила 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
Книга Категория

В термодинамика, то тепловая эффективность (${ displaystyle eta _ { rm {th}}}$) это безразмерный мера производительности устройства, которое использует тепловая энергия, например двигатель внутреннего сгорания, а паровая турбина или паровой двигатель, а котел, печь, или холодильник Например. Для Тепловой двигатель, тепловой КПД - это доля энергии, добавляемой за счет тепла (первичная энергия ), который преобразуется в чистый объем работы (вторичная энергия). В случае цикл охлаждения или теплового насоса, тепловой КПД - это отношение полезной тепловой мощности для обогрева или отвода для охлаждения к затраченной энергии (коэффициент полезного действия).

Обзор

Выходная (механическая) энергия всегда ниже входной.

В целом, эффективность преобразования энергии это соотношение между полезным выходом устройство и вход в энергия термины. Для теплового КПД вход, ${ displaystyle Q _ { rm {in}}}$, к устройству высокая температура, или теплосодержание потребляемого топлива. Желаемая мощность - механическая работай, ${ displaystyle W _ { rm {out}}}$, или тепло, ${ displaystyle Q _ { rm {out}}}$или, возможно, оба. Поскольку подводимое тепло обычно связано с реальными финансовыми затратами, запоминающееся общее определение термического КПД:^[1]

${ displaystyle eta _ { rm {th}} Equiv { frac { text {Benefit}} { text {cost}}}.}$

От первый закон термодинамики, выход энергии не может превышать входной, и второй закон термодинамики не может быть равным в неидеальном процессе, поэтому

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

Выраженный в процентах, тепловой КПД должен находиться в пределах 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%. Прогресс в правилах автоспорта Формулы-1 подтолкнул команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов, пик которых составляет около 45%. 50% тепловой КПД. Самый большой дизельный двигатель в мире достигает 51,7%. В комбинированный цикл завода, тепловой КПД приближается к 60%.^[2] Такое реальное значение может использоваться как добродетель для 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 подобных устройств.

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

Тепловые двигатели

Преобразование тепловых двигателей тепловая энергия, или тепло, Q_в в механическая энергия, или же работай, W_из. Они не могут выполнить эту задачу идеально, поэтому часть подводимой тепловой энергии не преобразуется в работу, а рассеивается в виде отходящее тепло Q_из в окружающую среду

${ Displaystyle Q_ {in} = W _ { rm {out}} + Q _ { rm {out}} ,}$

Тепловой КПД Тепловой двигатель процент тепловой энергии, которая преобразуется в работай. 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, является серьезной тратой энергетических ресурсов. 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 когенерация, комбинированный цикл и переработка энергии схемы начинают использовать это тепло не по назначению. Эту неэффективность можно объяснить тремя причинами. Существует общий теоретический предел эффективности любого теплового двигателя из-за температуры, называемый эффективностью Карно. Во-вторых, у определенных типов двигателей есть более низкие пределы их эффективности из-за присущих необратимость из цикл двигателя они используют. В-третьих, неидеальное поведение реальных двигателей, например механических. трение и потери в горение процесс вызывает дальнейшие потери эффективности.

Эффективность Карно

В второй закон термодинамики устанавливает фундаментальный предел теплового КПД 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, ${ Displaystyle Т _ { rm {H}} ,}$, а также температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло, ${ Displaystyle Т _ { rm {C}} ,}$, измеряется в абсолютной шкале, например Кельвин или же Ренкин шкала. Из Теорема Карно, для любого двигателя, работающего между этими двумя температурами:^[4]

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

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

Примеры ${ Displaystyle Т _ { rm {H}} ,}$ - температура горячего пара, поступающего в турбину паровая электростанция, или температура, при которой топливо горит в двигатель внутреннего сгорания. ${ Displaystyle Т _ { rm {C}} ,}$ Обычно это температура окружающей среды, в которой расположен двигатель, или температура озера или реки, в которые отводится отработанное тепло. Например, если автомобильный двигатель горит бензин при температуре ${ displaystyle T _ { rm {H}} = 816 ^ { circ} { text {C}} = 1500 ^ { circ} { text {F}} = 1089 { text {K}} , }$ и температура окружающей среды ${ displaystyle T _ { rm {C}} = 21 ^ { circ} { text {C}} = 70 ^ { circ} { text {F}} = 294 { text {K}} , }$, то его максимально возможный КПД равен:

${ displaystyle eta _ { rm {th}} leq left (1 - { frac {294K} {1089K}} right) 100 \% = 73,0 \%}$

Видно, что поскольку ${ Displaystyle Т _ { rm {C}} ,}$ фиксируется окружающей средой, единственный способ для конструктора повысить КПД двигателя Карно - это увеличить ${ Displaystyle Т _ { rm {H}} ,}$, температура, при которой двигатель нагревается. КПД обычных тепловых двигателей также обычно увеличивается с Рабочая Температура, а также передовые конструкционные материалы, которые позволяют двигателям работать при более высоких температурах, является активной областью исследований.

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, например топливные элементы, может превышать эффективность Карно.^[5][6]

Эффективность цикла двигателя

Цикл Карно - это обратимый 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 одинаковыми температурами. ${ Displaystyle Т _ { rm {H}} ,}$ и ${ Displaystyle Т _ { rm {C}} ,}$. 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 передается рабочей жидкости при максимальной температуре. ${ Displaystyle Т _ { rm {H}} ,}$, и сняли при минимальной температуре ${ Displaystyle Т _ { rm {C}} ,}$. 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 эффективности двигателей внутреннего сгорания является коэффициент удельной теплоемкости топливовоздушной смеси, γ. Это несколько зависит от топлива, но обычно близко к значению для воздуха 1,4. Это стандартное значение обычно используется в уравнениях цикла двигателя ниже, и когда это приближение сделано, цикл называется воздушный стандартный цикл.

• Цикл Отто: автомобили В Цикл Отто это название цикла, используемого при искровом зажигании. двигатель внутреннего сгорания например, бензин и на водороде автомобильные двигатели. Его теоретическая эффективность зависит от коэффициент сжатия р двигателя и коэффициент удельной теплоемкости γ газа 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 стучать. Современные двигатели имеют степень сжатия от 8 до 11, что обеспечивает идеальный КПД цикла от 56% до 61%.

• Дизельный цикл: грузовики и поезда в Дизельный цикл используется в дизельные двигатели для грузовиков и поездов, топливо воспламеняется за счет сжатия в цилиндре. Эффективность дизельного цикла зависит от р и γ как цикл Отто, а также коэффициент отсечки, р_c, представляющее собой отношение объема цилиндра в начале и 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 отношения, чем в двигателях с искровым зажиганием.

• Цикл Ренкина: паровые электростанции В Цикл Ренкина 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 комбинированный цикл заводов, в которых паровая турбина приводится в действие теплом выхлопных газов газовой турбины, она может приближаться к 60%.^[4]
• Цикл Брайтона: газовые турбины и реактивные двигатели В Цикл Брайтона цикл используется в газовые турбины и реактивные двигатели. Он состоит из компрессора, который увеличивает давление поступающего воздуха, затем топливо непрерывно добавляется в поток и сжигается, а горячие выхлопные газы расширяются в турбине. КПД во многом зависит от соотношения давлений внутри камеры сгорания. п₂ к давлению снаружи п₁^[4]

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

Прочие недостатки

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 закон идеального газа. Реальные двигатели имеют много отклонений от идеального поведения, что приводит к потере энергии и снижению фактического КПД ниже теоретических значений, указанных выше. Примеры:

• трение движущихся частей
• неэффективное сгорание
• потери тепла из камеры сгорания
• отклонение рабочего тела от термодинамических свойств идеальный газ
• 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 могут быть учтены при анализе термодинамических циклов, однако обсуждение того, как это сделать, выходит за рамки данной статьи.

Преобразование энергии

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

${ displaystyle eta _ { rm {th}} Equiv { frac {Q _ { rm {out}}} {Q _ { rm {in}}}}}$

где ${ displaystyle Q}$ количества являются эквивалентами тепла.

Так, 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.

An электрический резистивный нагреватель имеет тепловой КПД, близкий к 100%.^[8] При сравнении нагревательных элементов, таких как высокоэффективный резистивный нагреватель, с печью, работающей на природном газе, КПД составляет 80%. экономический анализ необходим для определения наиболее экономичного выбора.

Влияние теплотворной способности топлива

В теплотворная способность из топливо это количество высокая температура выпущен во время экзотермическая реакция (например., горение ) и является характеристикой каждого вещества. Он измеряется в единицах энергия на единицу вещества, обычно масса, например: кДж / кг, J /моль.

Теплотворная способность для топливо выражается как HHV, LHV или GHV, чтобы различать обработку тепла фазовых переходов:

• Более высокая теплотворная способность (HHV) определяется путем доведения всех продуктов сгорания до исходной температуры перед сгоранием и, в частности, конденсации любого образующегося пара. Это то же самое, что и термодинамический теплота сгорания.
• Низкая теплотворная способность (LHV) (или же низшая теплотворная способность) определяется вычитанием теплота испарения водяного пара с более высокой теплотворной способностью. Таким образом, энергия, необходимая для испарения воды, не выделяется в виде тепла.
• Общая теплотворная способность учитывает воду в выхлопе, уходящую в виде пара, и включает жидкую воду в топливе до сгорания. Это значение важно для таких видов топлива, как дерево или же каменный уголь, который перед сжиганием обычно содержит некоторое количество воды.

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

Тепловые насосы и холодильники

Тепловые насосы, холодильники и Кондиционеры используют работу для переноса тепла из более холодного места в более теплое, поэтому их функция противоположна функции теплового двигателя. Энергия работы (W_в), подаваемое на них, преобразуется в тепло, и сумма этой энергии и тепловой энергии, перемещаемой из холодного резервуара (Q_C) равна общей тепловой энергии, добавленной в горячий резервуар (Q_ЧАС)

${ Displaystyle Q _ { rm {H}} = Q _ { rm {C}} + W _ { rm {in}} ,}$

Их эффективность измеряется коэффициент производительности (КС). Тепловые насосы измеряются эффективностью, с которой они добавляют тепло в горячий резервуар, COP_{обогрев}; холодильники и кондиционеры по эффективности отвода тепла из холодного салона, COP_{охлаждение}:

${ displaystyle mathrm {COP} _ { mathrm {heating}} Equiv { frac {Q _ { rm {H}}} {W _ { rm {in}}}} ,}$

${ Displaystyle mathrm {COP} _ { mathrm {охлаждение}} Equiv { frac {Q _ { rm {C}}} {W _ { rm {in}}}} ,}$

Причина, по которой термин «коэффициент полезного действия» используется вместо «эффективности», состоит 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 нагрева, чем просто преобразование входящей работы в тепло, как в электронагревателе или печи.

Поскольку они являются тепловыми двигателями, эти устройства также ограничены Теорема Карно. Предельное значение «эффективности» Карно для этих процессов, равенство которого теоретически достижимо только при идеальном «обратимом» цикле, составляет:

${ displaystyle mathrm {COP} _ { mathrm {heating}} leq { frac {T _ { rm {H}}} {T _ { rm {H}} - T _ { rm {C}}} } = mathrm {COP} _ { mathrm {отопление, карнот}}}$

${ displaystyle mathrm {COP} _ { mathrm {охлаждение}} leq { frac {T _ { rm {C}}} {T _ { rm {H}} - T _ { rm {C}}} } = mathrm {COP} _ { mathrm {охлаждение, carnot}}}$

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

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

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

«Тепловой КПД» иногда называют энергоэффективность. В Соединенных Штатах в повседневном использовании ВИДЯЩИЙ является наиболее распространенным показателем энергоэффективности охлаждающих устройств, а также тепловых насосов в режиме обогрева. 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

Противоточный теплообменник - это наиболее эффективный тип теплообменника для передачи тепловой энергии от одного контура к другому. Однако для более полной картины эффективности теплообменника, эксергетический соображения должны быть приняты во внимание. Тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания обычно выше, чем у двигателей внешнего сгорания.

Смотрите также

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

Рекомендации