Термикалық энергия қолданатын құрылғылардың тиімділігі

Кіріспе

Термодинамикада жылу тиімділігі – жылу энергиясын пайдаланатын құрылғының өлшемсіз өнімділік көрсеткіші, мысалы, ішкі жану қозғалтқышы, бу турбинасы, бу машинасы, қазандық, пеш, тоңазытқыш, кондиционерлер және т.б. Жылу қозғалтқышы үшін жылу тиімділігі – пайдалы жұмыстың шығыны мен жылудың кірісі арасындағы қатынас; ал жылу сорғысы үшін жылу тиімділігі (жұмыс коэффициенті деп аталады) – жылу беру кезіндегі немесе салқындату кезіндегі таза жылу шығынының, кіріс энергиясына (сыртқы жұмыс) қатынасы болып табылады. Жылу қозғалтқышының тиімділігі үшеудің бірінен кем болады, себебі шығыс кірістен әрқашан төмен, ал жылу сорғысының жұмыс коэффициенті 1-ден жоғары. Бұл көрсеткіштер Карно теоремасымен шектеледі.

Жылу қозғалтқыштары

Жылу қозғалтқыштары жылу энергиясын немесе жылуды (Qin) механикалық энергияға немесе жұмысқа (Wout) айналдырады. Олар бұл міндетті толыққанды орындай алмайды, сондықтан кіріс жылу энергиясының бір бөлігі жұмысқа айналдырылмай, қоршаған ортаға қалдық жылу ретінде (Qout < 0) таралады.

Жылу қозғалтқышының жылулық тиімділігі – жылу энергиясының жұмысқа айналған пайызы. Жылу тиімділігі былай анықталады:

Тіпті ең жақсы жылу қозғалтқыштарының тиімділігі де төмен болады, әдетте 50%-дан төмен, көбінесе одан да төмен. Сондықтан жылу қозғалтқыштарының қоршаған ортаға жоғалтқан энергиясы – энергия ресурстарының үлкен ысырабы. Әлемде өндірілетін отынның көп бөлігі жылу қозғалтқыштарын қуаттандыруға жұмсалатындықтан, әлемде өндірілетін пайдалы энергияның шамамен жартысы қозғалтқыштардың тиімсіздігінен ысырапқа кетеді. Алайда, қазіргі заманғы когенерация, біріктірілген цикл және энергияны қайта өңдеу жүйелері бұл жылуды басқа мақсаттар үшін пайдалануды бастады. Бұл тиімсіздіктің үш себебі бар. Біріншіден, кез келген жылу қозғалтқышының тиімділігінің температураға байланысты жалпы теориялық шегі бар, ол Карно тиімділігі деп аталады. Екіншіден, қозғалтқыштардың нақты түрлері олар қолданатын циклдың қайтымсыздығына байланысты тиімділігінің төмен шегіне ие. Үшіншіден, нақты қозғалтқыштардың идеалды емес мінез-құлқы, мысалы, механикалық үйкеліс және жану процесіндегі жоғалтулар тиімділіктің одан әрі төмендеуіне әкеледі.

Карно тиімділігі

Термодинамиканың екінші заңы барлық жылу қозғалтқыштарының жылу тиімділігіне негізгі шек қояды. Тіпті, үйкеліссіз идеалдық қозғалтқыш та кіріс жылудың 100%-ын жұмысқа айналдыра алмайды. Шектеуші факторлар – жылу қозғалтқышқа кіретін температура, және қозғалтқыш қалдық жылуды шығаратын ортаның температурасы, Кельвин немесе Ранкин шкаласы сияқты абсолюттік шкалада өлшенеді. Карно теоремасы бойынша, осы екі температураның арасында жұмыс істейтін кез келген қозғалтқыш үшін:

Бұл шекті мән Карно циклының тиімділігі деп аталады, өйткені ол қол жеткізбейтін, идеалдық, қайтымды қозғалтқыш циклының тиімділігіне тең. Құрылысына қарамастан, жылуды механикалық энергияға айналдыратын ешбір құрылғы осы тиімділіктен асып түсе алмайды. Мысал ретінде, бу электр станциясының турбинасына кіретін ыстық будың температурасы немесе ішкі жану қозғалтқышында отынның жану температурасын келтіруге болады. әдетте қозғалтқыш орналасқан ортаның температурасы немесе қалдық жылу шығарылатын көл немесе өзеннің температурасы болып табылады. Мысалы, егер автомобиль қозғалтқышы бензинді температурада жақса және орта температурасы болса, онда оның ең жоғары тиімділігі:

Көрініп тұрғанындай, ортамен анықталғандықтан, дизайнердің қозғалтқыштың Карно тиімділігін арттырудың жалғыз жолы – жылу қозғалтқышқа берілетін температураны, яғни арттыру. Жылу қозғалтқыштарының тиімділігі әдетте жұмыс температурасымен бірге артады, ал қозғалтқыштардың жоғары температурада жұмыс істеуіне мүмкіндік беретін жаңа құрылымдық материалдар зерттеудің белсенді саласы болып табылады. Төменде сипатталған басқа себептерге байланысты, нақты қозғалтқыштардың тиімділігі Карно шегінен әлдеқайда төмен болады. Мысалы, орташа автомобиль қозғалтқышының тиімділігі 35%-дан кем. Карно теоремасы жылу энергиясы механикалық жұмысқа айналатын термодинамикалық циклдарға қолданылады. Отын элементтері сияқты, отынның химиялық энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыратын құрылғылар Карно тиімділігінен асып түсуі мүмкін.

Қозғалтқыштың цикл тиімділігі

Карно циклы қайтымды және осылайша қозғалтқыш циклының тиімділігінің жоғарғы шегін көрсетеді. Нақты қозғалтқыш циклдары қайтымсыз болып келеді, сондықтан бірдей температурада жұмыс істегенде Карно тиімділігінен төмен тиімділікке ие. Тиімділікті анықтайтын факторлардың бірі – циклдегі жұмыс сұйықтығына жылудың қалай берілуі және одан қалай алынуы. Карно циклы максималды тиімділікке жетеді, себебі барлық жылу жұмыс сұйықтығына максималды температурада беріледі және минималды температурада алынады. Керісінше, ішкі жану қозғалтқышында, отын жану басталғанда цилиндрдегі отын-ауа қоспасының температурасы ең жоғары температураға жақын болмайды, және тек отынның барлық мөлшері сарланғанда ғана ең жоғары температураға жетеді, сондықтан жылу берілетін орташа температура төмендейді, бұл тиімділікті азайтады. Жану қозғалтқыштарының тиімділігінің маңызды параметрі – ауа-отын қоспасының нақты жылу қатынасы, γ. Бұл отынға байланысты шамалы өзгереді, бірақ әдетте ауаның 1.4 мәніне жақын болады. Бұл стандарттық мән әдетте төмендегі қозғалтқыш циклдарының теңдеулерінде қолданылады, және осы жуықтау жасалғанда цикл ауа стандарты цикл деп аталады. Отто циклы: автомобильдер Отто циклы – бензин және сутекпен жұмыс істейтін автомобильдер сияқты ұшқышты жану қозғалтқыштарында қолданылатын циклдың атауы. Оның теориялық тиімділігі қозғалтқыштың қысылу қатынасы r және жану камерасындағы газдың нақты жылу қатынасы γ-ға байланысты. Бұның себебі, отын тұтану үшін қажет болғанша жану камерасына енгізілмейді, сондықтан қысым қатынасы соққыға ұшырау қаупін болдырмау қажеттілігімен шектелмейді, сондықтан ұшқышты жану қозғалтқыштарына қарағанда жоғары қатынастар қолданылады. Ранкин циклы: бу электр станциялары Ранкин циклы – бу турбиналық электр станцияларында қолданылатын цикл. Әлемдегі электр энергиясының басым көпшілігі осы цикл арқылы өндіріледі. Циклдың жұмыс сұйықтығы, су, цикл барысында сұйықтықтан буға және кері өзгергендіктен, олардың тиімділігі судың термодинамикалық қасиеттеріне байланысты. Қазіргі заманғы бу турбиналық станциялардың жылу тиімділігі қайта қыздыру циклдарымен 47%-ға жете алады, ал бу турбинасы газ турбинасының шығарылатын жылуымен қуатталатын құрама цикл станцияларында 60%-ға жуық тиімділікке жете алады. Жылыту құрылғыларын, мысалы, жоғары тиімді электр кедергілік жылытқышты 80% тиімді табиғи газбен жұмыс істейтін пешпен салыстырғанда, ең тиімді таңдауды анықтау үшін экономикалық талдау қажет.

The Carnot cycle is reversible and thus represents the upper limit on efficiency of an engine cycle. Practical engine cycles are irreversible and thus have inherently lower efficiency than the Carnot efficiency when operated between the same temperatures and One of the factors determining efficiency is how heat is added to the working fluid in the cycle, and how it is removed. The Carnot cycle achieves maximum efficiency because all the heat is added to the working fluid at the maximum temperature , and removed at the minimum temperature In contrast, in an internal combustion engine, the temperature of the fuel air mixture in the cylinder is nowhere near its peak temperature as the fuel starts to burn, and only reaches the peak temperature as all the fuel is consumed, so the average temperature at which heat is added is lower, reducing efficiency. An important parameter in the efficiency of combustion engines is the specific heat ratio of the air fuel mixture, γ. This varies somewhat with the fuel, but is generally close to the air value of 1.4. This standard value is usually used in the engine cycle equations below, and when this approximation is made the cycle is called an air standard cycle. Otto cycle: automobiles The Otto cycle is the name for the cycle used in spark ignition internal combustion engines such as gasoline and hydrogen fuelled automobile engines. Its theoretical efficiency depends on the compression ratio r of the engine and the specific heat ratio γ of the gas in the combustion chamber. This is because, since the fuel is not introduced to the combustion chamber until it is required for ignition, the compression ratio is not limited by the need to avoid knocking, so higher ratios are used than in spark ignition engines. Rankine cycle: steam power plants The Rankine cycle is the cycle used in steam turbine power plants. The overwhelming majority of the world's electric power is produced with this cycle. Since the cycle's working fluid, water, changes from liquid to vapor and back during the cycle, their efficiencies depend on the thermodynamic properties of water. The thermal efficiency of modern steam turbine plants with reheat cycles can reach 47%, and in combined cycle plants, in which a steam turbine is powered by exhaust heat from a gas turbine, it can approach 60%. When comparing heating units, such as a highly efficient electric resistance heater to an 80% efficient natural gas fuelled furnace, an economic analysis is needed to determine the most cost effective choice.

Энергия тиімділігі

"Термиялық тиімділік" кейде энергия тиімділігі деп аталады. АҚШ-та күнделікті қолданыста салқындату құрылғыларының және жылу сорғыштарының жылыту режиміндегі энергия тиімділігін өлшеу үшін көбінесе SEER көрсеткіші қолданылады. Энергияны түрлендіретін жылыту құрылғылары үшін олардың ең жоғары тұрақты жағдайдағы термиялық тиімділігі жиі айтылады, мысалы, "Бұл пеш 90% тиімді", бірақ маусымдық энергия тиімділігін егжей-тегжейлі өлшеу үшін жылдық отын тұтыну тиімділігі (AFUE) пайдаланылады.

Жылу алмастырғыштар

Қарсы ағынды жылу алмастырғыш бір контурдан екінші контурға жылу энергиясын берудегі ең тиімді жылу алмастырғыштардың түрі болып табылады. Дегенмен, жылу алмастырғыштың тиімділігін толыққанды бағалау үшін экзергиялық факторларды да ескеру қажет. Ішкі жану қозғалтқыштарының жылу тиімділігі әдетте сыртқы жану қозғалтқыштарынан жоғары болады.