[科普中国]-热力学效率

简介

在热力学中，热效率（ ）是使用热能的设备的无量纲性能测量，例如内燃机，汽轮机或蒸汽机，锅炉或冰箱。对于功率循环，热效率表示通过热（一次能源）加入的能量被转换为净功率输出（二次能量）的程度。在制冷或热泵循环的情况下，热效率表示工作中添加的能量转化为净热输出的程度。1

概述一般来说，能量转换效率是能量条件下器件与输入的有用输出之间的比值。对于热效率，设备的输入 是加热或消耗的燃料的热含量。输出是机械功 或者是热 。由于输入热通常具有实际的财务成本，热效率的一个通用定义是：

从热力学的第一定律来看，能量输出不能超过输入（也不能等于），所以 。

当以百分比表示时，热效率必须在0%和100%之间。效率通常低于100%，因为存在效率低下，例如将能量转换成替代形式的摩擦和热损失。例如，典型的汽油发动机效率约为25%，大型燃煤发电机达到46%左右，一级方程式赛车规则的推进推动了团队开发高效率的45% 50%的热效率。世界上最大的柴油发动机达到51.7%。在联合循环设备中，热效率接近60%。

对于燃料燃烧的发动机，有两种热效率：指示热效率和制动器热效率。这种效率仅在比较类似类型或类似设备时才适用。对于其他系统，效率计算的细节变化，但是非尺寸输入仍然相同，效率=输出能量/输入能量。23

热机热机将热能或热量转化为机械能 。它们不能完全转化，所以一些输入热不能转化为机械能，而是作为废热排入环境而消散。

热机的热效率是转换成工作的热能的百分比。热效率定义为

即使是最好的发动机的效率也很低，通常低于50%。因此，热机对环境的损失是能源资源的主要浪费。由于世界范围内生产的大部分燃料用于为热力发动机供电，因此，尽管现代热电联产，联合循环和能源回收计划已开始将其用于其他目的，但全球生产的有用能源的一半可能会浪费在发动机低效率方面。这种低效率可归因于三个原因。任何热机由于温度的效率都有一个总体理论上的限制，称为卡诺效率。第二，特定类型的发动机由于其使用的发动机循环的固有不可逆性而对其效率具有较低的限制。第三，真实发动机的非理想行为，例如机械摩擦和燃烧过程中的损失导致进一步的效率损失。4

卡诺效率热力学第二定律对所有热机的热效率进行了基本的限制。即使是理想的无摩擦发动机也不能将其100%输入热量的任何地方转换成工作。限制因素是热量进入发动机的温度 以及发动机排放其废热的环境温度 ，以绝对量表测量，如开尔文或兰金量表。从卡诺定理出发，任何发动机在这两个温度之间工作：

这个极限值被称为卡诺循环效率，因为它是称为卡诺循环的不可实现的、理想的、可逆的发动机循环的效率。没有将热量转换成机械能的装置，无论其结构如何，都可以超越这种效率。

发动机循环效率卡诺循环是可逆的，因此代表了发动机循环效率的上限。实际的发动机循环是不可逆的，因此在相同温度 和 之间运行时，具有比卡诺效率本来更低的效率。确定效率的因素之一是如何将热量添加到循环中的工作流体以及如何被去除。卡诺循环实现最大效率，因为所有热量都以最高温度 加入到工作流体中，并在最低温度 移除。相反，在内燃机中，当燃料开始燃烧时，气缸中的燃料 - 空气混合物的温度不接近其峰值温度，并且在所有燃料消耗时仅达到峰值温度，因此平均温度添加热量较低，降低效率。

内燃机效率的一个重要参数是空气 - 燃料混合物的比热γ。这与燃料有所不同，但通常接近1.4。这个标准值通常用在下面的发动机循环方程中，当进行这种近似时，该循环称为空气标准循环。

（1）奥托循环：奥托循环是用于汽油和氢燃料汽油发动机的火花点火内燃机的循环的名称。其理论效率取决于发动机的压缩比r和燃烧室中气体的比热比γ。

因此，效率随着压缩比而增加。 然而，奥托循环发动机的压缩比受限于需要防止被称为爆震的不受控制的燃烧。 现代发动机的压缩比范围为8至11，导致理想的循环效率为56%至61%。

（2）狄赛尔循环：卡车和火车在用于柴油卡车和火车发动机的柴油循环中，燃料通过气缸中的压缩点燃。 狄赛尔循环的效率取决于r和γ，如奥托循环，也取决于截止比rc，rc是燃烧过程开始和结束时的气缸体积比：

当使用相同的压缩比时，狄赛尔循环的效率低于奥托循环。 然而，实用柴油发动机的效率比汽油发动机高出30% - 35%。这是因为，由于燃料在燃烧需要点燃之前不被引入到燃烧室中，所以压缩比不受避免爆震的需要的限制，因此使用比火花点火式发动机高的比例。

（3）兰金循环：蒸汽发电厂兰金循环是汽轮机发电厂使用的循环。世界绝大多数电力都是在这个循环中生产的。 由于循环的工作流体水在循环过程中从液体变为蒸汽并且回到其后，其效率取决于水的热力学性质。具有再热循环的现代蒸汽轮机厂的热效率可以达到47%，在蒸汽轮机由燃气轮机的排气供电的联合循环设备中，可达到60%。

（4）布雷顿循环：燃气轮机和喷气发动机布雷顿循环是燃气轮机和喷气发动机中使用的循环。它包括一个增加进气压力的压缩机，然后将燃料连续地添加到流中并燃烧，并且热排气在涡轮机中膨胀。 效率在很大程度上取决于燃烧室p2内的压力与p1以外的压力之比

其他低效率上述效率公式基于简单的发动机理想化数学模型，没有摩擦和工作流体遵守称为理想气体定律的简单热力学规则。实际发动机与理想行为有很多偏离，浪费能源，降低远远低于上述理论值的实际效率。例如：

（1）运动部件摩擦

（2）燃烧效率低下

（3）来自燃烧室的热量损失

（4）工作流体离开理想气体的热力学性质

（5）空气通过发动机的气动阻力

（6）辅助设备如油水泵所使用的能源。

（7）低效压缩机和涡轮机

低效率的另一个原因是，除了效率低的污染之外，发动机必须针对其他目标进行优化。车辆发动机的要求特别严格：它们必须设计用于低排放，足够的加速性，起动速度快，重量轻，噪音低等特点。这些要求在设计上会受到影响（如改变气门正时以减少排放），从而降低效率。平均汽车发动机的效率只有35%左右，也必须在停车位上闲置，浪费17%的能量，总体效率为18%。[7]大型固定式发电厂具有较少的竞争要求以及更高效的兰金循环，因此它们比车辆发动机的效率明显更高，约为50%。因此，用电动车替换内燃车辆，电动车辆运行在充电电池在发电厂燃烧燃料产生的电力，具有提高运输中能源使用的热效率的理论潜力，从而减少对化石燃料的需求。

当比较不同的热力发动机作为动力源，如电力或运行车辆的动力时，发动机效率本身只是一个因素。为了进行有意义的比较，必须考虑从燃料源到消费者的整个能源供应链的整体效率。虽然热机所浪费的热量通常是无效率的最大来源，但诸如燃料精炼和运输的能源成本以及运输它的输电线路中的能量损失等因素可能会抵消更有效的热力发动机的优势。

能量转换定义对于将能量从另一种形式转换成热能（例如电加热器，锅炉或炉）的设备，热效率是

其中Q量是热当量值。

因此，对于每300 kW热当量输入产生210 kW（或700,000 BTU / h）输出的锅炉，其热效率为210/300 = 0.70或70%。 这意味着30%的能量会损失到环境中。

电阻加热器的热效率接近100%，当将诸如高效电阻加热器的加热单元与80%有效的天然气燃料炉进行比较时，需要经济分析来确定最具成本效益的选择。5

燃料加热值的影响燃料的加热值是放热反应（例如燃烧）时释放的热量，是每种物质的特征。以每单位物质的能量为单位进行测量，通常为质量，如：kJ / kg，J / mol。燃料的热值表示为HHV，LHV或GHV，以区分相变热的处理：

（1）通过将所有燃烧产物恢复到原始预燃温度，特别是冷凝所产生的任何蒸气来确定更高的发热值（HHV）。这与热力学燃烧热相同。

（2）通过从较高的热值减去水蒸汽的蒸发热量来确定较低的热值（LHV）（或净热值）。因此，蒸发水所需的能量不能作为热来实现。

（3）总的热值考虑排气中的水作为蒸气而离开，并且在燃烧之前包括在燃料中的液态水。该值对于木材或煤炭等燃料很重要，燃烧前通常会含有一定量的水。

正在使用哪个定义的热值显着影响任何引用的效率。

热泵和冰箱热泵，冰箱和空调使用工作将热量从较冷的地方移动到较暖的地方，因此它们的功能与热机相反。 施加到它们的工作能量（Win）被转换成热量，并且从冷库（QC）移动的能量和热能的总和等于加到热水箱（QH）的总热能）

它们的效率是通过性能系数（COP）来衡量的。热泵是通过加热到热水箱的效率来测量的，即；冰箱和空调通过从冷室内除去热量的效率，即：

使用“性能系数”来代替“效率”的原因是，由于这些装置正在移动热量，而不是产生热量，因此它们移动的热量可能大于输入功率，因此COP可以更大 超过1（100%）。因此，如在电加热器或炉中那样，热泵可以是比将简单地将输入工作转换成热量更有效的加热方式。

由于它们是热力发动机，所以这些装置也受到卡诺定理的限制。 卡尔诺效率对于这些过程的极限值，理论上只有理想的“可逆”循环才能实现的平等是：

在被认为是冰箱时，在考虑作为热泵时，在相同温度下使用的相同装置更有效率：

这是因为当加热时，用于运行设备的工作被转换为热量并增加了期望的效果，而如果期望的效果是冷却，则由输入工作产生的热量只是不需要的副产物。有时，效率一词用于实现COP与卡诺COP的比例，不超过100%。

能源效率“热效率”有时被称为能量效率。在美国，在日常使用中，SEER是冷却设备以及在加热模式时热泵的能源效率的更常见的测量。对于能量转换加热装置，其常常表现出其峰值稳态热效率，例如，“该炉具有90%的效率”，但是季节能量效率的更详细的测量是年燃料利用效率（AFUE）。