Что такое термический коэффициент полезного действия

Запрос «КПД» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»)[1]. КПД является безразмерной величиной и часто выражается в процентах.

Определение[править | править код]

Математически КПД определяется как

где А — полезная работа (энергия), а Q — затраченная энергия.

Если КПД выражается в процентах, эту формулу иногда записывают в виде

.

Здесь умножение на не несёт содержательного смысла, поскольку . В связи с этим второй вариант записи формулы менее предпочтителен (одна и та же физическая величина может быть выражена в различных единицах независимо от формул, где она участвует).

В силу закона сохранения энергии и в результате неустранимых потерь энергии КПД реальных систем всегда меньше единицы, то есть невозможно получить полезной работы больше или столько, сколько затрачено энергии.

КПД теплово́го дви́гателя — отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле

,

где  — количество теплоты, полученное от нагревателя,  — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен

.

Другие похожие показатели[править | править код]

Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «коэффициент полезного действия», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.

КПД котлов[править | править код]

КПД котлов на органическом топливе традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара. В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания, учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.

Тепловые насосы и холодильные машины[править | править код]

Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу. Холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса.

Эффективность машин характеризует холодильный коэффициент[en]

,

где  — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность);  — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

,

где  — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю;  — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

В идеальной машине , отсюда для идеальной машины

Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент

,

где ,  — температуры горячего и холодного концов, K[2]. Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики, поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

Литература[править | править код]

• Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс. — Дрофа, 2005. — 191 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-7107-9459-7..

Примечания[править | править код]

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, добавляемой за счет тепла ( первичная энергия ), которая преобразуется в чистый выход работы (вторичная энергия). В случае цикла охлаждения или теплового насоса термический КПД – это отношение полезной тепловой мощности для обогрева или отвода для охлаждения к подводимой энергии (коэффициент полезного действия).

Обзор

В общем, эффективность преобразования энергии – это соотношение между полезной выходной мощностью устройства и входом в энергетическом выражении. Что касается теплового КПД, вводом в устройство является тепло или теплосодержание потребляемого топлива. Требуемый выход является механической работой , или тепло, или , возможно , и другими. Поскольку подводимое тепло обычно связано с реальными финансовыми затратами, запоминающееся общее определение термического КПД:

Согласно первому закону термодинамики , выходная энергия не может превышать входную, а согласно второму закону термодинамики она не может быть равной в неидеальном процессе, поэтому

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 – 51,7%. Тепловой КПД электростанции с комбинированным циклом приближается к 60%. 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. 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

Тепловые машины 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

Тепловой КПД теплового двигателя – это процент тепловой энергии, преобразованной в работу . Термический КПД определяется как

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 в зависимости от температуры, который называется КПД Карно. Во- вторых, конкретные типы двигателей имеют более низкие лимиты на их эффективности из – за присущего необратимости этого цикла двигателя они используют. В-третьих, неидеальное поведение реальных двигателей, такое как механическое трение и потери в процессе сгорания, приводит к дальнейшим потерям эффективности.

Эффективность Карно

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:

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, поступающего в турбину паровой электростанции , или температура, при которой топливо горит 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:

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.

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 , могут превышать КПД Карно.

Эффективность цикла двигателя

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 . 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 несколько зависит 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 делается, 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.

Таким образом, эффективность увеличивается с увеличением степени сжатия. Однако степень сжатия двигателей с циклом Отто ограничена необходимостью предотвращения неконтролируемого сгорания, известного как детонация . Современные двигатели имеют степень сжатия 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:

Дизельный цикл менее эффективен, чем цикл Отто, при той же степени сжатия. Однако практические дизельные двигатели на 30-35% эффективнее бензиновых. 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 Цикл Ренкина – это цикл, используемый на 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%.
• 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.

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 законом 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 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 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

где величины являются тепловыми эквивалентами.

Так, для котла, который производит 210 кВт (или 700 000 БТЕ / ч) на каждые 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ / ч) тепловой энергии 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%. При сравнении нагревательных элементов, таких как высокоэффективный резистивный нагреватель, с печью, работающей на природном газе, КПД 80%, необходимо провести экономический анализ, чтобы определить наиболее экономичный выбор.

Влияние теплотворной способности топлива

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 путем приведения всех продуктов сгорания обратно к исходной температуре перед сгоранием и, в частности, конденсации любого образующегося пара. Это то же самое, что и термодинамическая теплота сгорания .
• Низшая 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 выхлопе, уходящую в виде пара, и включает жидкую воду в топливе до сгорания. Это значение важно для таких видов топлива, как древесина или уголь , которые обычно перед сжиганием содержат некоторое количество воды.

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

Тепловые насосы , холодильники и кондиционеры используют работу для перемещения 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 )

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 :

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 теоремой Карно . Предельное значение «эффективности» Карно для этих процессов с равенством, теоретически достижимым только при идеальном «обратимом» цикле, составляет:

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

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 «эффективность» используется для обозначения отношения достигнутого COP к COP Карно, которое не может превышать 100%.

Энергоэффективность

«Термический КПД» иногда называют энергоэффективностью . В Соединенных Штатах при повседневном использовании SEER является наиболее распространенным показателем энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов в 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).

Теплообменники

Противоточный теплообменник – это наиболее эффективный тип теплообменника для передачи тепловой энергии от одного контура к другому. Однако для более полного представления об эффективности теплообменника необходимо учитывать эксергетические факторы . 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 кровельные материалы за энергоэффективность (США)
• Низкая теплотворная способность
• Относительная стоимость электроэнергии, произведенной из разных источников
• Более высокая теплотворная способность
• Эффективность преобразования энергии

Рекомендации