什么是热机的定义

一般来说,热机是一种把化学能转化为热能,然后再转化为机械能或电能的装置。许多热机以循环方式运转。优德app热能工程

热引擎

能源一直在人类社会的发展中扮演着非常重要的角色。活力一般定义为可能做的工作或生产。有时它就像工作的“货币”。宇宙最奇妙的特性之一就是能量可以从一种类型转化为另一种类型从一个物体转移到另一个物体

一般来说,很容易生产热能通过工作例如,通过任何摩擦过程。但是从热能中做功更重要的是难的。它与之密切相关熵的概念。例如,由于它具有,电力特别有用非常低熵(是高度有序的),可以转化为其他形式的能量非常有效地

有时,机械能可直接可用,例如风电和水电。但我们的大部分能量都来自燃烧化石燃料煤、石油和天然气核反应。目前,化石燃料仍然是世界上最主要的能源。但是燃烧化石燃料会产生只有热能,因此这些能源被称为主要能源”,必须转换二次能源,所谓能源公司(电能等等)。把热能转换成另一种形式的能热机必须使用。

一般来说,一个热机是一种把化学能转换成热能,然后再转换成机械能或电能的装置。

热机的例子
朗肯循环密切描述了大多数热电厂中的蒸汽操作热风发动机的过程。

许多热动发动机以循环方式操作,在循环的一部分中以热量的形式添加能量,并使用该能量在循环的另一部分中进行有用的工作。
例如,在所有常规中都是典型的火力发电厂热量用于产生蒸汽驱动一个汽轮机连接到产生电力的发电机。蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和给水泵组成热机,这是受效率限制的规定热力学的第二律w88优德app。在现代核电站总体热力学效率是关于三分之一(33%)3000年MWth热能需要从裂变反应中产生1000米电力。

热机和第二定律

热力学的第二律w88优德app可以用许多具体的方式来表达。每个陈述都表达了同样的规律。下面列出的是经常遇到的三种情况。

在这些发言之前,我们必须提醒工作人员一位法国工程师和物理学家,尼古拉斯Léonard萨迪卡诺通过形成原则,高级对第二法律的研究(也叫Carnot的规则)规定了任何热机所能获得的最高效率的限制。

卡诺原理
1824年,一位法国工程师兼物理学家,尼古拉斯Léonard萨迪卡诺通过形成一个原理(也称为第二定律)来推进第二定律的研究Carnot的规则)的限制任何热机的最高效率可以获得。简而言之,这一原则指出热力学循环的效率完全取决于冷热储层的温差。

Carnot的原则国家:

  1. 没有发动机可以比可逆发动机更有效(钟盘热力发动机)在相同的高温和低温水库之间运行。
  2. 所有可逆发动机的效率(卡诺热发动机)在相同的恒温储存器之间的操作是相同的,而不管使用的工作物质或操作细节。

卡诺效率

该最大效率的公式是:

卡诺效率公式

地点:

  • 是Carnot循环的效率,即它是比例= w / qH通过发动机完成的工作从热储存器进入系统的热能。
  • TC为冷态热源的绝对温度(开尔文),
  • TH为高温热源的绝对温度(开尔文)。
示例:燃煤发电厂的Carnot效率
在现代燃煤电厂,温度高压蒸汽(T.)约为400°C (673K)和T,冷却塔水温,约为20℃(293K)。对于这种类型的电厂,最大(理想)效率将是:

= 1 - T/ T.= 1 - 293/673 = 56%

必须添加它,这是一个理想化效率。卡诺效率对可逆过程是有效的。这些过程在电厂的实际循环中是无法实现的。卡诺效率表明,通过提高蒸汽的温度可以获得更高的效率。这一特性也适用于实际的热力学循环。但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器。然而,冶金方面的考虑导致了上限在这些压力。亚临界的化石燃料发电厂,是在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。超临界设计,在超临界压力(即大于22.1 MPa),效率约为43%。最有效,也是非常复杂的燃煤发电厂“超重要”压力(即约30MPa)并使用多阶段再加热达到约48%的效率。

参见:超临界反应器

热机类型

一般来说,热机按燃烧位置分类为:

  • 外部的内燃机。例如,蒸汽机是外燃式发动机,工作流体和燃烧产物是分开的。
  • 内燃机。内燃机的典型例子是汽车中使用的发动机,其中通过在气缸本身中燃烧汽油 - 空气混合物来实现高温。

详细分类基于热力学周期中使用的工作流体:

  • 气体循环。在这些循环中,工作流体总是气体。奥托循环和柴油循环(用于汽车)也是纯燃气循环的典型例子。现代燃气涡轮发动机和喷气发动机也基于燃气循环,他们遵循布雷顿循环。
  • 液体循环。液体循环相当异国情调。在这些循环中,工作流体总是液体。马龙液体引擎是仅液体循环的一个例子。马龙液体发动机是斯特林循环的改性,用水作为工作流体而不是气体
  • 相位变化的周期。蒸汽机是工作流体相变外置发动机的典型例子。

热机的例子

热机的例子
朗肯循环密切描述了大多数热电厂中的蒸汽操作热风发动机的过程。

蒸汽机冰箱是工作流体相变外置发动机的典型例子。用于分析这一过程的典型热力学循环称为郎肯循环它通常使用水作为工作流体。

郎肯循环密切描述了大多数情况下常见的蒸汽操作热风发动机的过程火力发电厂。这些发电厂中使用的热源通常是化石燃料的燃烧,如煤,天然气,或者核裂变

一个核电站(核电站)看起来像一个标准的热电站,但有一个例外。核电站的热源是一种核反应堆。这是所有传统火力发电站的典型做法蒸汽驱动与发电机相连的蒸汽涡轮机发电。

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朗肯循环 - 热力学作为能量转换w88优德app科学

通常大多数核电站操作多级冷凝式汽轮机。在这些涡轮机中,高压级接收蒸汽(这种蒸汽几乎是饱和的蒸汽 - x = 0.995-点C;6 MPa;275.6°C)从蒸汽发生器并用液体分离器(点D)排气。必须重新加热蒸汽,以避免可能对汽轮机叶片造成的损坏低质量的蒸汽。再加热器加热蒸汽(D点),然后蒸汽被引导到汽轮机的低压级,在低压级膨胀(E点到F点)。排出的蒸汽在冷凝器中凝结,其压力远低于大气压力(绝对压力为0.008 MPa),并处于部分凝结状态(点F),通常质量接近90%。

在这种情况下,蒸汽发生器,蒸汽轮机,冷凝器和给水泵构成了热力发动机,这受效率限制所施加的效率限制热力学的第二律w88优德app。在理想情况下(无摩擦,可逆过程,完美设计),热机的卡诺效率为

= 1 - T/ T.= 1 - 315/549 = 42.6%

其中热储温度为275.6℃(548.7K),冷储温度为41.5℃(314.7K)。但是核电站是真正的热机热力学过程在某种程度上是不可逆的。它们不是无限缓慢地完成的。在实际设备(如涡轮机、泵和压缩机)中,机械摩擦和热损失会导致进一步的效率损失。

因此,核电厂的效率通常在33%左右。在现代核电站中,总热动力效率大约是三分之一(33%)3000年MWth热能需要从裂变反应中产生1000米电力。

根据卡诺原理,提高效率可以通过增加温度的蒸汽。但这需要增加锅炉或蒸汽发生器内部的压力。然而,冶金方面的考虑给这种压力设置了一个上限。从这个角度来看,超临界水反应堆被认为是一个很有前途的进步核电站因为它的高热效率(~ 45% vs. ~ 33%)。SCWRs操作在超临界压力(即大于22.1 MPa)。

热效率和第二定律

一个理想热机是一种虚构的发动机,其中作为来自高温储存器的热量提取的能量完全转换为工作。但是Kelvin-Planck声明在美国,这样的热机将违反热力学第二定律,因为在转换过程中必然会有损失。w88优德app系统吸收的净热量必须高于系统所做的净功。

Kelvin-Planck声明:

“不可能建造一个在循环中运行的设备,除了从单个物体产生功和传热之外,没有产生其他影响”。

热效率公式

作为这个语句的结果,我们定义了热效率,η.th,任何热机的工作是这样,W,输入温度很高,QH

热效率公式- 1

热效率,η.th,代表分数,H,它被转换了工作。它是对使用热能的热机的无量纲性能度量,如汽轮机、内燃机或冰箱。对于制冷或热泵来说,热效率是指功所增加的能量转化为净热量输出的程度。由于它是无量纲数,我们必须始终表示W, QH,问C在同一个单位。

根据能量保守热力学第一定律w88优德app并且不能转换能量完全工作,热输入,qH,必须等于完成的工作,W,加上必须消散的热量浪费Q.C到环境中。因此,可以将热效率公式改写为:

热效率公式- 2

为了使效率为百分比,我们将前一级公式乘以100。注意,η.th只有废热Q才能100%C将是零。

一般情况下,效率是均匀的最好的热引擎相当低。简而言之,是的非常困难的转换热能机械能。通常是热效率低于50%而且常常在很远的地方。当你把它与风力或水力发电(风力涡轮机不是热机)的效率比较时要小心,在热能和机械能之间没有能量转换。

低效率的原因

如前所述,效率可以在0到1之间。每个热机的效率都不高。这种低效率可以归因于三个原因。

  • 流程的不可逆转性。在任何热发动机中,热量转化效率的总体理论上有限的上限。这个上限称为卡诺效率。根据卡诺原理,任何发动机都不能比可逆发动机更有效率(钟盘热力发动机)在相同的高温和低温水库之间运行。例如,高温热源有T在400°C (673K)和T在约20°C (293K)时,最大(理想)效率为:= 1 - T/ T.= 1 - 293/673 = 56%。但所有真正的热力学过程都以某种方式不可逆转。它们不是无限缓慢地完成的。因此,由于热机循环固有的不可逆性,热机的效率必须低于其效率限制。
  • 存在摩擦和热损失。在真实的热力学系统或真实的热机中,整个循环的无效部分是由于单个部件的损失。在真实的设备(如涡轮机、泵和压缩机)中,a机械摩擦,热损失而燃烧过程中的损失会进一步造成效率损失。
  • 设计效率低下。最后,最后也是重要的低效率的来源是来自妥协工程师在设计热力发动机时(例如发电厂)。他们必须考虑循环的设计和操作中的成本和其他因素。作为一个例子,考虑一个设计冷凝器在热电厂。理想情况下,蒸汽排入冷凝器的蒸汽将会有没有过脱机。但真正的冷凝器是设计成将液体过冷几度以避免吸空化在冷凝水泵中。但是,这种过冷增加了循环的低效率,因为需要更多的能量来重新加热水。

热机的热效率

一般来说,即使是最好的热机的效率也相当低。简而言之,是的热能很难转化为机械能。热效率通常低于50%,而且往往远远低于。

Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;坂口,克彦(2008年3月)。
Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;坂口,克彦(2008年3月)。“高效柴油和燃气发动机的方法”(PDF)。三菱重工技术评论。45(1).检索2011-02-04。

通过进行工作,例如通过任何摩擦过程很容易产生热能。但要从热能下工作更加困难。它与之密切相关熵的概念,这量化了不再可用的物质的能量来执行有用的工作。例如,由于它具有,电力特别有用非常低熵(是高度有序的),可以转化为其他形式的能量非常有效地。当你把它与风力或水力发电(风力涡轮机不是热机)的效率比较时要小心,在热能和机械能之间没有能量转换。

今天设计或使用的各种热机的热效率有很大的范围:

例如:

运输

  • 在二十世纪中叶,一个典型的蒸汽机车具有热效率6%。这意味着每燃烧100兆焦耳的煤,就会产生6兆焦耳的机械动力。
  • 一个典型的汽油汽车发动机运行在25%至30%热效率。约70-75%被拒绝作为废热而不被转换为有用的工作,即送到轮子的工作。
  • 一个典型的柴油汽车发动机运行在30%到35%。一般来说,使用柴油循环的发动机通常效率更高。
  • 2014年,新法规出台f1赛车。这些赛车规则促使车队开发高效的动力装置。梅赛德斯表示,他们的动力单元正在实现目标超过45%并且接近50%的热效率,即燃料中的潜在能量的45-50%的热效率。
  • 柴油发动机具有任何实用的内燃机的最高热效率。低速柴油机(如船舶所使用)可以具有超过的热效率50%。世界上最大的柴油发动机达到51.7%。

电力工程

  • 海洋热能转换(OTEC)。海洋热能转换是非常复杂的热量发动机,使用冷却器深层和较温暖的表面海水之间的温差运行低压涡轮机。自从此以来温差小,约20°C,热效率也很低,约3%
  • 在现代核电站总体热效率是关于三分之一(33%)3000年MWth热能需要从裂变反应中产生1000米电力。提高效率可以通过增加温度蒸汽。但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器。然而,冶金方面的考虑给这种压力设置了一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不多。但必须指出的是,核电厂比化石燃料发电厂复杂得多,而且燃烧化石燃料比用化石燃料发电容易得多核燃料
  • 亚临界的化石燃料发电厂,是在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。
  • 超临界水反应堆被认为是一个很有前途的进步核电站因为它的高热效率(~ 45% vs. ~ 33%)。
  • 超临界化石燃料发电厂,是在超临界压力(即大于22.1 MPa),效率在43%。最有效,也是非常复杂的燃煤发电厂“超重要”压力(即30 MPa左右),并采用多级再热达到约48%效率。
  • 现代联合循环燃气轮机(CCGT)植物,其中包括的热力学周期包括两个动力装置循环(如布雷顿循环和兰金循环),可以达到一个左右的热效率55%相比之下,单循环蒸汽发电厂的效率限制在35-45%左右。
引用:
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其他参考资料:

  1. 汽车回收

参见:

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