A hőmotorok a hőenergiát (Qin) mechanikai energiává (Wout) alakítják át. Ezt a feladatot nem tudják tökéletesen elvégezni, ezért a bevitt hőenergia egy része nem alakul át munkává, hanem hulladékhő formájában Qout a környezetbe távozik
Q i n = W o u t + Q o u t {\displaystyle Q_{in}=W_{\rm {out}}+Q_{\rm {out}}\,}
A hőmotor termikus hatásfoka a hőenergiának a munkává alakított százalékos aránya. A termikus hatásfok meghatározása a következő:
η t h ≡ W o u t Q i n = Q i n – Q o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {W_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{\rm {in}}}-Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}=1-{\frac {Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}}
A legjobb hőmotorok hatásfoka is alacsony; általában 50% alatt van, gyakran jóval alatta. Így a hőmotorok által a környezetbe kerülő energia az energiaforrások jelentős pazarlását jelenti. Mivel a világszerte megtermelt tüzelőanyagok nagy részét a hőmotorok működtetésére fordítják, talán a világszerte megtermelt hasznos energia akár fele is kárba vész a motorok hatástalansága miatt, bár a modern kapcsolt energiatermelés, a kombinált ciklus és az energia újrahasznosítási rendszerek kezdik ezt a hőt más célokra felhasználni. Ez a hatástalanság három okra vezethető vissza. Bármely hőmotor hatásfokának van egy általános elméleti korlátja a hőmérséklet miatt, amelyet Carnot-hatásfoknak nevezünk. Másodszor, bizonyos motortípusok hatásfoka az általuk használt motorciklus inherens visszafordíthatatlansága miatt alacsonyabb. Harmadszor, a valós motorok nem ideális viselkedése, például a mechanikai súrlódás és az égési folyamat veszteségei további hatásfokcsökkenést okoznak.
Carnot hatásfokSzerkesztés
A termodinamika második törvénye alapvető korlátot szab minden hőmotor termikus hatásfokának. Még egy ideális, súrlódásmentes motor sem képes a bemenő hő közel 100%-át munkává alakítani. A korlátozó tényező az a hőmérséklet, amelyen a hő a motorba belép, T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\,}
, és a környezet hőmérséklete, amelybe a motor a hulladékhőt bocsátja ki, T C {\displaystyle T_{\\rm {C}}\\,}
, abszolút skálán, például a Kelvin- vagy Rankine-skálán mérve. Carnot tételéből kiindulva, bármely motor esetében, amely e két hőmérséklet között működik: η t h ≤ 1 – T C T H {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}\,}
Ezt a határértéket Carnot-ciklus hatásfokának nevezzük, mert ez a Carnot-ciklusnak nevezett, elérhetetlen, ideális, reverzibilis motorciklus hatásfoka. Ezt a hatásfokot egyetlen, hőt mechanikai energiává alakító berendezés sem haladhatja meg, függetlenül a szerkezetétől.
T H {\displaystyle T_{\displaystyle T_{\rm {H}}}\,}
például a gőzerőmű turbinájába belépő forró gőz hőmérséklete vagy a belsőégésű motorban az üzemanyag elégetési hőmérséklete. T C {\displaystyle T_{\displaystyle T_{\rm {C}}}\,}
általában a környezet hőmérséklete, ahol a motor található, vagy egy tó vagy folyó hőmérséklete, amelybe a hulladékhőt kibocsátják. Például, ha egy autómotor T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K hőmérsékleten égeti a benzint {\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}}\,}
és a környezeti hőmérséklet T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K {\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}}}\,}
, akkor a maximális lehetséges hatásfoka: η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}}\right)100\%=73.0\%}}
Látható, hogy mivel T C {\displaystyle T_{\rm {C}}}\,}
a környezet által rögzített, a tervező csak úgy növelheti a motor Carnot-hatásfokát, ha növeli a T H {\displaystyle T_{\\rm {H}}\\,}
, a hőmérsékletet, amelyen a hő a motorba kerül. A közönséges hőmotorok hatásfoka általában szintén növekszik az üzemi hőmérséklettel, és a korszerű szerkezeti anyagok, amelyek lehetővé teszik a motorok magasabb hőmérsékleten való működését, aktív kutatási területet jelentenek.
Az alább részletezett egyéb okok miatt a gyakorlati motorok hatásfoka jóval a Carnot-határérték alatt van. Az átlagos autómotorok hatásfoka például kevesebb, mint 35%.
A Carnot-tétel a termodinamikai ciklusokra vonatkozik, ahol a hőenergia mechanikai munkává alakul át. Azok az eszközök, amelyek az üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos munkává alakítják, például az üzemanyagcellák, meghaladhatják a Carnot-hatásfokot.
Motorciklus hatásfokaSzerkesztés
A Carnot-ciklus megfordítható, és így a motorciklus hatásfokának felső határát jelenti. A gyakorlati motorciklusok irreverzibilisek, így azonos T H {\displaystyle T_{\rm {H}}\ hőmérsékleten történő üzemeltetés esetén eredendően alacsonyabb hatásfokkal rendelkeznek, mint a Carnot-hatásfok,}
és T C {\displaystyle T_{\rm {C}}\,}
. A hatásfokot többek között az határozza meg, hogy a ciklusban a munkafolyadékhoz hogyan adódik hő, és hogyan távozik. A Carnot-ciklus maximális hatásfokot ér el, mivel az összes hő a T H maximális hőmérsékleten kerül a munkafolyadékhoz {\displaystyle T_{\\rm {H}}\,}
, és a legkisebb hőmérsékleten T C {\displaystyle T_{\rm {C}}}\,}
eltávolítjuk. Ezzel szemben egy belsőégésű motorban az üzemanyag-levegő keverék hőmérséklete a hengerben messze nem éri el a csúcshőmérsékletet, amikor az üzemanyag égni kezd, és csak akkor éri el a csúcshőmérsékletet, amikor az összes üzemanyag elfogy, így az átlagos hőmérséklet, amelyen a hő hozzáadódik, alacsonyabb, ami csökkenti a hatásfokot.
A belsőégésű motorok hatásfokának fontos paramétere a levegő-tüzelőanyag keverék fajlagos hőhányadosa, γ. Ez az üzemanyagtól függően némileg változik, de általában közel van a levegő 1,4-es értékéhez. Az alábbi motorciklus-egyenletekben általában ezt a standard értéket használják, és ha ezt a közelítést alkalmazzák, a ciklust levegő-standard ciklusnak nevezik.
- Otto-ciklus: gépjárművek Az Otto-ciklus a szikragyújtású belső égésű motorokban, például a benzin- és hidrogénüzemű autómotorokban használt ciklus elnevezése. Elméleti hatásfoka a motor r sűrítési arányától és az égéstérben lévő gáz γ fajhőfokától függ.:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\,}
A hatásfok tehát a tömörítési arány növekedésével nő. Az Otto-ciklusú motorok sűrítési arányát azonban korlátozza a kopogásként ismert ellenőrizetlen égés megakadályozásának szükségessége. A modern motorok sűrítési aránya 8 és 11 között van, ami 56% és 61% közötti ideális ciklushatásfokot eredményez.
- Dízelciklus: teherautók és vonatok A dízelüzemű teherautók és vonatok motorjaiban használt dízelciklusban az üzemanyagot a hengerben történő sűrítés gyújtja meg. A dízelciklus hatásfoka az Otto-ciklushoz hasonlóan az r és γ értékektől függ, valamint a vágási aránytól, rc-től, amely a henger térfogatának aránya az égési folyamat kezdetén és végén:
η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}}-1)}}\,}
A dízel ciklus azonos sűrítési arány esetén kevésbé hatékony, mint az Otto ciklus. A gyakorlati dízelmotorok azonban 30-35%-kal hatékonyabbak a benzinmotoroknál. Ennek az az oka, hogy mivel az üzemanyagot csak a gyújtásig juttatják az égéstérbe, a sűrítési arányt nem korlátozza a kopogás elkerülésének szükségessége, így nagyobb arányokat használnak, mint a szikragyújtású motorokban.
- Rankine-ciklus: gőzerőművek A Rankine-ciklus a gőzturbinás erőművekben használt ciklus. A világ villamos energiájának túlnyomó többségét ezzel a ciklussal állítják elő. Mivel a ciklus munkaközege, a víz, a ciklus során folyadékból gőzzé és vissza változik, hatásfokuk a víz termodinamikai tulajdonságaitól függ. A modern gőzturbinás, újramelegítési ciklusú erőművek termikus hatásfoka elérheti a 47%-ot, a kombinált ciklusú erőművekben pedig, amelyekben a gőzturbinát egy gázturbina kipufogógázának hője hajtja, megközelítheti a 60%-ot.
- Brayton-ciklus: gázturbinák és sugárhajtóművek A Brayton-ciklus a gázturbinákban és sugárhajtóművekben használt ciklus. Egy kompresszorból áll, amely növeli a bejövő levegő nyomását, majd az áramláshoz folyamatosan üzemanyagot adnak és elégetik, a forró kipufogógázokat pedig egy turbinában tágítják. A hatásfok nagymértékben függ az égéstéren belüli p2 nyomás és a külső p1 nyomás arányától
η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ γ {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\bigg (}{\frac {p_{2}}{p_{1}}}{\bigg )}^{\frac {1-\gamma }{\gamma }}\,}
Egyéb hatástalanságokSzerkesztés
Nem szabad összekeverni a termikus hatásfokot a motorok tárgyalásakor használt egyéb hatásfokokkal. A fenti hatásfokformulák a motorok egyszerű idealizált matematikai modelljein alapulnak, súrlódásmentes és az ideális gáztörvénynek nevezett egyszerű termodinamikai szabályoknak engedelmeskedő munkafolyadékokkal. A valós motorok számos eltérést mutatnak az ideális viselkedéstől, amelyek energiát pazarolnak, így a tényleges hatásfok a fent megadott elméleti értékek alá csökken. Ilyenek például:
- a mozgó alkatrészek súrlódása
- a nem hatékony égés
- az égéstér hővesztesége
- a munkafolyadék eltérése az ideális gáz termodinamikai tulajdonságaitól
- a motoron áthaladó levegő légellenállása
- a segédberendezések, például az olaj- és vízszivattyúk által felhasznált energia.
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.