什么是热效率 - 定义

任何热机的热效率(ηth)都定义为功与热的比值。工程师通常用焓来计算热效率。优德app热能工程

热效率

一个理想热机是一个假想的热机,从高温热源中提取的能量完全转化为功。但是根据Kelvin-Planck声明这样的发动机违反了热力学第二定律,因为在转换过程中必然会有损失。w88优德app向系统输入的净热量必须大于系统所做的净功。

Kelvin-Planck声明:

“不可能制造出一种设备,它在一个循环中运行,而不产生其他效果,而产生功和热量从一个单一的物体”。

热效率公式

作为该语句的结果,我们定义热效率η.th的比值工作是这样,W,输入在高温下,QH

热效率公式- 1

热效率η.th,表示的分数H,转换为工作.它是一个无量纲的性能测量热机,使用热能,如蒸汽轮机,内燃机,或冰箱。对于制冷泵或热泵来说,热效率表明了功所增加的能量转换为净热量输出的程度。因为它是无量纲数,我们必须总是表示W, QH,问C在同一个单位。

因为能量是守恒的热力学第一定律w88优德app能量不能完全转化为功,输入的热量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。因此我们可以将热效率公式改写为:

热效率公式- 2

为了得到以百分数表示的效率,我们将之前的公式乘以100。注意,η.th只有当废热QC将是零。

一般来说,即使是效率最好的热引擎相当低。简而言之,确实如此非常困难的转换热能机械能.热效率通常是低于50%而且经常是在很远的地方。当你将它与风能或水力发电(风力涡轮机不是热机)的效率进行比较时,要小心,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。每个热机都是低效的。这种低效率可以归结为三个原因。

  • 过程的不可逆性.在任何热机中,热量转化为功的效率都有一个总体的理论上限。这个上限叫做卡诺效率.根据卡诺原理,没有任何发动机能比可逆发动机(卡诺热机)在相同的高温和低温储层之间运行。例如,当高温热源有T400°C (673K)和T当温度约为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的.它们不是无限缓慢地完成的。因此,热机的效率必须低于其效率的限制,因为他们使用的热机循环固有的不可逆性。
  • 存在摩擦和热损失。在实际的热力系统或热机中,整体循环效率低下的一部分是由于单个部件的损失造成的。在实际设备中(如涡轮机、泵和压缩机)a机械摩擦热损失燃烧过程中的损失会造成进一步的效率损失。
  • 设计效率低下.最后,效率低下的最后一个重要原因是妥协工程师在设计热机(如发电厂)时。他们必须考虑成本和其他因素在设计和运行的循环。作为一个例子,请考虑冷凝器在火力发电厂。理想情况下,排进冷凝器的蒸汽没有欠火.但真正的冷凝器是设计来将液体过冷几度的,以避免吸空化在冷凝水泵中。但是,这种过冷却增加了循环的低效,因为需要更多的能量来重新加热水。

热效率和第二定律

热力学第二定律w88优德app可以用许多特定的方式表达。每句话表达的是同一定律。下面列出的是经常遇到的三种。

在这些陈述之前,我们必须提醒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则来推进对第二定律的研究(也叫Carnot的规则),规定了任何热机可以获得的最大效率的限制。

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(也称原理)来推进对第二定律的研究Carnot的规则的限制任何热机效率最高可以获得。简而言之,这一原则指出热力学循环的效率只取决于冷热库之间的温差。

卡诺原理:

  1. 没有任何发动机能比可逆发动机更有效率。卡诺热机)在相同的高温和低温储层之间运行。
  2. 所有可逆发动机的效率(卡诺热发动机)在相同的恒温储层之间的操作是相同的,无论所使用的工质或操作细节是什么。

卡诺效率

这个最大效率的公式是:

卡诺效率公式

地点:

  • 是Carnot循环的效率,即它是比例= W /问H通过发动机完成的工作从热储存器进入系统的热能。
  • TC为冷热源的绝对温度(开尔文),
  • TH是高温热源的绝对温度(开尔文)。
例如:燃煤电厂的卡诺效率
在现代燃煤电厂,温度高压蒸汽(T)大约是400°C (673K)和T,冷却塔的水温,将约为20°C (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%

必须加上,这是理想化的效率.卡诺效率对于可逆过程是有效的。这些过程不能在电厂的实际循环中实现。卡诺效率表明,提高蒸汽的温度可以获得更高的效率。这个特性也适用于真实的热力学循环。但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器.然而,冶金方面的考虑使上限在这些压力。亚临界化石燃料发电厂,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%。最高效也最复杂的燃煤电厂“超重要”压力(即30 MPa左右),采用多级再热可达到48%左右的效率。

参见:超临界反应器

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,确实如此将热能转化为机械能是非常困难的.热效效率通常低于50%,往往远远低于50%。

Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;Katsuhiko Sakaguchi(2008年3月)。
Takaishi Tatsuo;Numata彰;Nakano Ryouji;Katsuhiko Sakaguchi(2008年3月)。“高效柴油及燃气发动机的研究”(PDF)。三菱重工技术评论。45(1). 2002-02-04。

做功很容易产生热能,例如任何摩擦过程。但是利用热能做功就比较困难了。它与熵的概念,它将不再可用来做有用功的物质的能量量化。例如,电力是特别有用的,因为它已经非常低熵(是高度有序的),可以转化为其他形式的能量非常有效地.当你将它与风能或水力发电(风力涡轮机不是热机)的效率进行比较时,要小心,热能和机械能之间没有能量转换。

当今设计或使用的各种热机的热效率范围很大:

例如:

运输

  • 在二十世纪中叶,一个典型的蒸汽机车热效率是多少6%.这意味着每燃烧100兆焦煤,就产生6兆焦机械动力。
  • 一个典型的汽油汽车发动机运行在25%到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,新规定出台f1赛车.这些赛车运动规定促使车队开发高效的动力装置。据梅赛德斯公司称,他们的动力装置正在实现超过45%接近50%的热效率,即45 - 50%的势能在燃料是交付给车轮。
  • 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(在船舶上使用的)热效率可以超过50%.世界上最大的柴油发动机峰值达到51.7%。

电力工程

  • 海洋热能转换。海洋热能转换是非常复杂的热机,利用较冷的深海和较暖的表层海水之间的温差来运行低压涡轮机。自温差小,大约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裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。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,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但是,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从中产生能量要容易得多核燃料
  • 亚临界化石燃料发电厂,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有前途的发展核电站因为它的高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。
  • 超临界化石燃料发电厂,在超临界压力(即大于22.1 MPa),具有周围的效率43%.最高效也最复杂的燃煤电厂“超重要”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。
  • 现代联合循环燃气轮机(CCGT)电厂,其中的热力学循环包括两个电厂循环(如Brayton循环和Rankine循环),可以实现周围的热效率55%相比之下,单循环蒸汽发电厂的效率仅为35-45%左右。

布雷顿循环的热效率

我们假设理想的布雷顿循环这描述了恒压热机现代燃气轮机发动机和吸气式喷气发动机也遵循布雷顿循环。这个循环由四个热力学过程组成:

  1. 第一定律-例子-布雷顿循环
    理想布雷顿循环由四个热力学过程组成。两个等熵过程和两个等压过程。

    等熵压缩- 环境空气被吸入压缩机,在那里加压(1→2)。压缩机所需的工作是给出的WC= H2- - - - - - H1

  2. 等压加热-压缩空气通过燃烧室,在那里燃料被燃烧,空气或其他介质被加热(2→3)。这是一个恒压过程,因为燃烧室是开放的,流入和流出。加入的净热量由添加= H3.- - - - - - H2
  3. 等熵膨胀- 加热的加压空气然后在涡轮机上膨胀,放弃其能量。由涡轮机完成的工作由WT= H4- - - - - - H3.
  4. 等压排热-残余热量必须被拒绝,以关闭循环。所排出的净热由再保险= H4- - - - - - H1

可以看出,我们可以描述和计算(例如,热力学效率)这样的循环(类似于郎肯循环) 使用

计算热效率布雷顿循环(单压气机和单涡轮)工程师使用热力学第一定律w88优德app用焓来表示,而不是热力学能。

焓的第一定律是:

DH = DQ + VDP

在这个方程中Vdp是一个流处理工作。这项工作,Vdp,用于开流系统就像一个涡轮或者一个其中有一个“迪拜”,即压力变化。没有变化控制体积.可以看出,这种形式的法律简化了能量传递的描述

有更熟悉的变量的表达式,如温度压力

dH = CpdT + V T(1 -α)dp

在哪里Cp热容在恒压下α.是(立方)热膨胀系数。为了理想气体αT = 1,因此:

dH = CpdT

在恒压下,焓的变化等于这一点能源通过加热从环境转移:

等压过程(Vdp = 0):

dH = dQ→Q = H2- - - - - - H1→H2- - - - - - H1Cp(T2- T.1

在恒定熵,即在惯言过程中,焓的变化等于这一点工作流程图在系统或系统上完成:

等熵过程(dQ = 0):

dH = Vdp→W = H2- - - - - - H1→H2- - - - - - H1Cp(T2- T.1

第一定律-例子-布雷顿循环
理想布雷顿循环由四个热力学过程组成。两个等熵过程和两个等压过程。

能做成什么密集的,或具体的,变量除以质量工程师使用比焓在热力学分析中比焓本身更重要。这种简单的布雷顿循环的热效率,对于理想气体和比焓现在可以用温度来表示:

布雷顿循环的热效率

朗肯循环的热效率

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朗肯循环-作为能量转换科学的热力w88优德app学

郎肯循环详细描述了在大多数蒸汽操作的热机中常见的过程火力发电厂.这些发电厂使用的热源通常是化石燃料的燃烧,如煤,天然气,或也核裂变

一个核电站(核电站)看起来像一个标准的热电站,只有一个例外。核电站的热源是一种核反应堆.正如所有传统热电站的典型做法一样,热量被用来发电蒸汽它驱动与发电机相连的汽轮机发电。

通常大多数人核电站运营多级冷凝汽轮机.在这些涡轮中高压级接收蒸汽(该蒸汽接近饱和蒸汽- x = 0.995 -图中C点;6 MPa;(275.6°C),并将其排至隔湿再热器(D点)。必须对蒸汽进行再加热,以避免因蒸汽的燃烧对汽轮机叶片造成损害低质量的蒸汽.再热器加热蒸汽(D点),然后蒸汽被引导到汽轮机的低压阶段,在那里膨胀(E点到F点),排出的蒸汽在冷凝器中冷凝,其压力远低于大气压力(绝对压力)0.008 MPa),并处于部分凝聚状态(F点),其质量通常接近90%。

在这种情况下,蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和给水泵构成一个热机,即受制于效率的限制热力学第二定律w88优德app.在理想情况下(无摩擦,可逆过程,完美的设计),这个热机将有一个卡诺效率

= 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,其中热力学过程是不可逆的。它们不是无限缓慢地完成的。在实际设备中(如涡轮机、泵和压缩机),机械摩擦和热损失会导致进一步的效率损失。

计算热效率最简单的郎肯循环(无需再加热)工程师使用关于焓的热力学第一定律w88优德app而不是热力学能。

在焓方面的第一法是:

DH = DQ + VDP

在这个方程中Vdp是一个流处理工作。这项工作,Vdp,用于开流系统就像一个涡轮或者一个其中有一个“迪拜”,即压力变化。没有变化控制体积.可以看出,这种形式的法律简化了能量传递的描述在恒压下,焓的变化等于这一点能源通过加热从环境转移:

等压过程(Vdp = 0):

dH = dQ→Q = H2- - - - - - H1

在恒定熵,即在惯言过程中,焓的变化等于这一点工作流程图在系统或系统上完成:

等熵过程(dQ = 0):

dH = Vdp→W = H2- - - - - - H1

这对于分析动力工程中的两个热力学循环,即布雷顿循环和兰金循环,都是非常有用的。

能做成什么密集的,或具体的,变量除以质量工程师使用比焓在热力学分析中比焓本身更重要。它列在表格中蒸汽表随着具体的体积特定的内部能量.这样一个简单的朗肯循环的热效率,用比焓表示就是:

朗肯循环的热效率

这是一个非常简单的方程,你可以使用来自的数据来确定热效率蒸汽表

在现代核电站中,总体热效率是三分之一(33%)3000年MWth裂变反应产生的热能是必需的1000兆瓦电力。原因在于蒸汽温度相对较低(6 MPa;275.6°C)。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的压力。然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但是,必须指出的是,核电站比化石燃料发电厂复杂得多,而且燃烧化石燃料比用核燃料产生能量要容易得多。亚临界化石燃料发电厂,在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。

引用:
核与反应堆物理学:
  1. J. R. Lamarsh,核反应堆理论导论,第二版,Addison-Wesley,雷丁,MA(1983)。
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先进反应堆物理:

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  3. 李国强,核反应堆动力学,中国核科学研究院,1993,ISBN: 0-894-48453-2。
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另一个参考:

  1. 汽车回收

参见:

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