Введение
Измерение производительности устройства, использующего тепловую энергию.
В термодинамике тепловая эффективность – это безразмерная величина, характеризующая производительность устройства, использующего тепловую энергию, такого как двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, паровой двигатель, котел, печь, холодильник, кондиционер и т.д. Для теплового двигателя тепловая эффективность определяется как отношение полезной работы к подведенному теплу; в случае теплового насоса тепловая эффективность (известная как коэффициент преобразования) – это отношение полученного тепла (при нагреве) или отведённого тепла (при охлаждении) к затраченной энергии (внешней работе). Эффективность теплового двигателя всегда меньше единицы, так как выходная энергия меньше входной, в то время как коэффициент преобразования теплового насоса больше 1. Эти значения дополнительно ограничены теоремой Карно.
Тепловые двигатели
Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию, или тепло, Qin в механическую энергию, или работу, Wout. Они не могут выполнить эту задачу идеально, поэтому часть поступающей тепловой энергии не преобразуется в работу, а рассеивается в виде отходящего тепла Qout < 0 в окружающую среду:
Тепловая эффективность теплового двигателя – это процент тепловой энергии, который преобразуется в работу. Термическая эффективность определяется как
Эффективность даже лучших тепловых двигателей невелика: обычно она ниже 50%, а часто и значительно ниже. Таким образом, энергия, теряемая тепловыми двигателями в окружающую среду, является значительной тратой энергетических ресурсов. Поскольку большая часть производимого в мире топлива используется для работы тепловых двигателей, возможно, до половины полезной энергии, производимой в мире, теряется из-за неэффективности двигателей, хотя современные системы когенерации, комбинированного цикла и рекуперации энергии начинают использовать это тепло для других целей. Эта неэффективность обусловлена тремя причинами. Существует общий теоретический предел эффективности любого теплового двигателя, обусловленный температурой, который называется эффективностью Карно. Во-вторых, конкретные типы двигателей имеют более низкие пределы эффективности из-за присущей необратимости цикла, который они используют. В-третьих, неидеальное поведение реальных двигателей, такое как механическое трение и потери при сгорании, приводит к дальнейшему снижению эффективности.
Эффективность Карно
Второй закон термодинамики устанавливает фундаментальный предел для тепловой эффективности всех тепловых двигателей. Даже идеальный, безтрениальный двигатель не может преобразовать близко к 100% подводимого тепла в работу. 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 Ранкина. Согласно теореме Карно, для любого двигателя, работающего между этими двумя температурами:
Это предельное значение называется эффективностью цикла Карно, поскольку оно соответствует эффективности недостижимого, идеального, обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно. Ни одно устройство, преобразующее тепло в механическую энергию, независимо от конструкции, не может превысить эту эффективность. Примерами может служить температура горячего пара, поступающего в турбину паровой электростанции, или температура, при которой сгорает топливо в двигателе внутреннего сгорания. обычно представляет собой температуру окружающей среды, в которой расположен двигатель, или температуру озера или реки, в которые сбрасывается отработанное тепло. Например, если автомобильный двигатель сжигает бензин при температуре , а температура окружающей среды равна , то его максимальная возможная эффективность составляет:
Видно, что поскольку определяется окружающей средой, единственный способ для разработчика увеличить эффективность Карно двигателя – повысить , температуру, при которой тепло подводится к двигателю. Эффективность обычных тепловых двигателей также обычно возрастает с повышением рабочей температуры, и разработка передовых конструкционных материалов, позволяющих двигателям работать при более высоких температурах, является активной областью исследований. В силу других причин, описанных ниже, эффективность практических двигателей значительно ниже предела Карно. Например, средний автомобильный двигатель имеет эффективность менее 35%. Теорема Карно применима к термодинамическим циклам, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Устройства, которые непосредственно преобразуют химическую энергию топлива в электрическую энергию, такие как топливные элементы, могут превышать эффективность Карно.
Эффективность цикла двигателя
Цикл Карно является обратимым и, таким образом, представляет собой верхний предел эффективности цикла двигателя. Практические циклы двигателей необратимы и, следовательно, имеют по своей сути более низкую эффективность, чем эффективность Карно, при работе в одинаковых температурных условиях. Одним из факторов, определяющих эффективность, является то, как тепло подводится к рабочему телу в цикле и как отводится. Цикл Карно достигает максимальной эффективности, поскольку всё тепло подводится к рабочему телу при максимальной температуре и отводится при минимальной температуре. В отличие от этого, в двигателе внутреннего сгорания температура топливно-воздушной смеси в цилиндре далеко не достигает пиковой температуры в момент начала сгорания топлива и достигает её только после полного сгорания топлива, поэтому средняя температура подвода тепла ниже, что снижает эффективность. Важным параметром эффективности двигателей внутреннего сгорания является показатель адиабаты (отношение теплоёмкостей) топливно-воздушной смеси, γ. Он несколько изменяется в зависимости от топлива, но обычно близок к значению для воздуха, равному 1,4. Это стандартное значение обычно используется в уравнениях цикла двигателя, и когда делается такое приближение, цикл называется циклом с воздушным стандартом. Цикл Отто: автомобили. Цикл Отто – это название цикла, используемого в двигателях внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, таких как бензиновые и водородные автомобильные двигатели. Его теоретическая эффективность зависит от степени сжатия r двигателя и показателя адиабаты γ газа в камере сгорания. Это связано с тем, что, поскольку топливо не подаётся в камеру сгорания до момента, необходимого для зажигания, степень сжатия не ограничивается необходимостью предотвращения детонации, поэтому используются более высокие степени сжатия, чем в двигателях с искровым зажиганием. Цикл Ренкина: паровые электростанции. Цикл Ренкина – это цикл, используемый на паротурбинных электростанциях. Подавляющее большинство электроэнергии в мире производится с использованием этого цикла. Поскольку рабочее тело цикла, вода, изменяет своё состояние от жидкости к пару и обратно в течение цикла, их эффективность зависит от термодинамических свойств воды. Тепловая эффективность современных паровых турбинных установок с регенеративным подогревом может достигать 47%, а в комбинированных установках, в которых паровая турбина приводится в действие выхлопным теплом газовой турбины, она может приближаться к 60%. При сравнении отопительных приборов, таких как высокоэффективный электрический нагреватель сопротивления и 80%-ный газовый котел, необходим экономический анализ для определения наиболее экономически выгодного варианта.
Энергоэффективность
"Тепловая эффективность" иногда называется энергетической эффективностью. В Соединенных Штатах в повседневной практике SEER чаще используется в качестве показателя энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов в режиме обогрева. Для нагревательных приборов, преобразующих энергию, часто указывается их пиковая тепловая эффективность в установившемся режиме, например, "эта печь имеет КПД 90%", но более точным показателем сезонной энергоэффективности является годовая эффективность использования топлива (AFUE).
Теплообменники
Теплообменник с противотоком является наиболее эффективным типом теплообменника для передачи тепловой энергии между контурами. Однако, для более полного понимания эффективности теплообменника необходимо учитывать экзергетические аспекты. Тепловая эффективность двигателей внутреннего сгорания, как правило, выше, чем у двигателей внешнего сгорания.