Sprawność cieplna

Silniki cieplne przekształcają energię cieplną, czyli ciepło, Qin w energię mechaniczną, czyli pracę, Wout. Nie są w stanie wykonać tego zadania idealnie, więc część wejściowej energii cieplnej nie jest zamieniana na pracę, lecz rozpraszana jako ciepło odpadowe Qout do otoczenia

Q i n = W o u t + Q o u t {{displaystyle Q_{in}=W_{rm {out}}+Q_{rm {out}},}

Sprawność cieplna silnika cieplnego to procent energii cieplnej, która jest przekształcana w pracę. Sprawność cieplną definiuje się jako

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 ≡ ≡ W o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {{displaystyle ≡ ≡ W o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {{suplement}}}Q_{{rm {out}}}{Q_{rm {in}}}}=1-{}frac {Q_{rm {out}}}{Q_{rm {in}}}}}

Sprawność nawet najlepszych silników cieplnych jest niska; zwykle poniżej 50%, a często znacznie poniżej. Tak więc energia tracona do środowiska przez silniki cieplne jest poważnym marnotrawstwem zasobów energetycznych. Ponieważ znaczna część paliw produkowanych na świecie jest przeznaczana na zasilanie silników cieplnych, być może nawet połowa energii użytecznej produkowanej na świecie jest marnowana przez nieefektywność silników, chociaż nowoczesne systemy kogeneracji, cyklu łączonego i recyklingu energii zaczynają wykorzystywać to ciepło do innych celów. Tę nieefektywność można przypisać trzem przyczynom. Istnieje ogólna teoretyczna granica sprawności każdego silnika cieplnego wynikająca z temperatury, zwana sprawnością Carnota. Po drugie, określone typy silników mają niższe limity wydajności ze względu na nieodwracalność cyklu pracy silnika, z którego korzystają. Po trzecie, nieidealne zachowanie rzeczywistych silników, takie jak tarcie mechaniczne i straty w procesie spalania powoduje dalsze straty sprawności.

Wydajność CarnotaEdit

Drugie prawo termodynamiki nakłada fundamentalne ograniczenie na sprawność cieplną wszystkich silników cieplnych. Nawet idealny, pozbawiony tarcia silnik nie jest w stanie przetworzyć 100% ciepła wejściowego na pracę. Czynnikami ograniczającymi są temperatura, w której ciepło wchodzi do silnika, T H {{displaystyle T_{rm {H}}}},}

, oraz temperaturę otoczenia, do którego silnik odprowadza ciepło odpadowe, T C {{displaystyle T_{rm {C}}}}

, mierzoną w skali bezwzględnej, np. w skali Kelvina lub Rankina. Z twierdzenia Carnota wynika, że dla każdego silnika pracującego w zakresie tych dwóch temperatur: η t h ≤ 1 – T C T H {{displaystyle {eta _{rm {th}}}leq 1-{frac {T_{rm {C}}}{T_{rm {H}}}}}},}

Ta wartość graniczna nazywana jest sprawnością cyklu Carnota, ponieważ jest to sprawność nieosiągalnego, idealnego, odwracalnego cyklu silnika zwanego cyklem Carnota. Żadne urządzenie przetwarzające ciepło na energię mechaniczną, niezależnie od swojej konstrukcji, nie może przekroczyć tej sprawności.

Przykładami sprawności T H {{displaystyle T_{rm {H}}},}

są temperatura gorącej pary wodnej wchodzącej do turbiny elektrowni parowej lub temperatura, w której paliwo spala się w silniku spalinowym. T C {{displaystyle T_{{rm {C}}},}

jest zazwyczaj temperaturą otoczenia, w którym znajduje się silnik, lub temperaturą jeziora lub rzeki, do której odprowadzane jest ciepło odpadowe. Na przykład, jeśli silnik samochodowy spala benzynę w temperaturze T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {{displaystyle T_{}H}=816^{}circ }{text{C}}=1500^{}circ }{text{F}}=1089{text{K}}},}

a temperatura otoczenia wynosi T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K {{displaystyle T_{rm {C}}=21^{crc }{text{C}}=70^{crc }{text{F}}=294{text{K}},}

, wówczas jego maksymalna możliwa sprawność wynosi: η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % {{displaystyle }}left(1-{frac {294K}{1089K}}}right)100 %=73.0}. 0}

Można zauważyć, że skoro T C {{displaystyle T_{rm {C}}},}

jest ustalone przez środowisko, jedynym sposobem zwiększenia sprawności Carnota przez konstruktora silnika jest zwiększenie T H {{displaystyle T_{{rm {H}}},}

, temperatury, w której ciepło jest dodawane do silnika. Sprawność zwykłych silników cieplnych również ogólnie wzrasta wraz z temperaturą pracy, a zaawansowane materiały konstrukcyjne, które pozwalają silnikom pracować w wyższych temperaturach są aktywnym obszarem badań.

Dzięki innym przyczynom opisanym poniżej, praktyczne silniki mają sprawność znacznie poniżej granicy Carnota. Przykładowo, przeciętny silnik samochodowy ma sprawność poniżej 35%.

Twierdzenie Carnota ma zastosowanie w cyklach termodynamicznych, w których energia cieplna zamieniana jest na pracę mechaniczną. Urządzenia, które przekształcają energię chemiczną paliwa bezpośrednio w pracę elektryczną, takie jak ogniwa paliwowe, mogą przekroczyć sprawność Carnota.

Sprawność cyklu silnikowegoEdit

Cykl Carnota jest odwracalny i dlatego stanowi górną granicę sprawności cyklu silnikowego. Praktyczne cykle silnikowe są nieodwracalne i dlatego mają z natury niższą sprawność niż sprawność Carnota, gdy pracują w tych samych temperaturach T H {{displaystyle T_{rm {H}}},

i T C {{displaystyle T_{rm {C}}},}

. Jednym z czynników decydujących o sprawności jest sposób dodawania ciepła do płynu roboczego w cyklu oraz sposób jego usuwania. Cykl Carnota osiąga maksymalną sprawność, ponieważ całe ciepło jest dodawane do płynu roboczego w maksymalnej temperaturze T H {{displaystyle T_{{rm {H}}},}

, i usuwane w minimalnej temperaturze T C {{displaystyle T_{rm {C}}},}

. W przeciwieństwie do tego w silniku spalinowym temperatura mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze nie jest bliska swojej szczytowej temperatury, gdy paliwo zaczyna się spalać, i osiąga szczytową temperaturę dopiero po zużyciu całego paliwa, więc średnia temperatura, przy której dodawane jest ciepło, jest niższa, co zmniejsza sprawność.

Ważnym parametrem sprawności silników spalinowych jest współczynnik ciepła właściwego mieszanki paliwowo-powietrznej, γ. Zmienia się on nieco w zależności od paliwa, ale ogólnie jest zbliżony do wartości dla powietrza wynoszącej 1,4. Ta standardowa wartość jest zwykle używana w poniższych równaniach cyklu silnika, a gdy dokonano tego przybliżenia, cykl nazywa się cyklem standardowym dla powietrza.

• Cykl Otta: samochody Cykl Otta jest nazwą cyklu stosowanego w silnikach spalinowych o zapłonie iskrowym, takich jak silniki samochodowe napędzane benzyną i wodorem. Jego teoretyczna sprawność zależy od stopnia sprężania r silnika i współczynnika ciepła właściwego γ gazu w komorze spalania.:558

η t h = 1 – 1 r γ – 1 {{displaystyle \a_t}=1-{frac {1}{r^{gamma -1}}}},}

Zatem sprawność wzrasta wraz ze stopniem sprężania. Jednakże stopień sprężania w silnikach pracujących w cyklu Otto jest ograniczony przez konieczność zapobiegania niekontrolowanemu spalaniu znanemu jako spalanie stukowe. Nowoczesne silniki mają stopień sprężania w zakresie od 8 do 11, co daje idealną sprawność cyklu od 56% do 61%.

• Cykl Diesla: samochody ciężarowe i pociągi W cyklu Diesla stosowanym w silnikach Diesla samochodów ciężarowych i pociągów paliwo jest zapalane w wyniku sprężania w cylindrze. Sprawność cyklu Diesla zależy od r i γ, podobnie jak w cyklu Otto, a także od współczynnika odcięcia, rc, który jest stosunkiem objętości cylindra na początku i na końcu procesu spalania:

η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {{displaystyle \u200}=1-{frac {r^{1-glamma }(r_{rm {c}}}^{gamma (r_{rm {c}}-1)}},}

Cykl Diesla jest mniej wydajny niż cykl Otto przy zastosowaniu tego samego stopnia sprężania. Jednakże, praktyczne silniki Diesla są o 30% – 35% bardziej wydajne niż silniki benzynowe. Dzieje się tak dlatego, że ponieważ paliwo nie jest wprowadzane do komory spalania, dopóki nie jest potrzebne do zapłonu, stopień sprężania nie jest ograniczony przez konieczność uniknięcia spalania stukowego, więc stosuje się wyższe stopnie niż w silnikach z zapłonem iskrowym.

• Cykl Rankine’a: elektrownie parowe Cykl Rankine’a jest cyklem wykorzystywanym w elektrowniach z turbiną parową. Przeważająca większość energii elektrycznej na świecie jest wytwarzana w tym cyklu. Ponieważ ciecz robocza cyklu, woda, zmienia się z cieczy w parę i z powrotem w trakcie cyklu, ich sprawność zależy od właściwości termodynamicznych wody. Sprawność cieplna nowoczesnych turbin parowych z obiegiem wtórnym może sięgać 47%, a w elektrowniach pracujących w cyklu kombinowanym, w których turbina parowa jest zasilana ciepłem spalin z turbiny gazowej, może zbliżać się do 60%.
• Cykl Braytona: turbiny gazowe i silniki odrzutowe Cykl Braytona jest cyklem stosowanym w turbinach gazowych i silnikach odrzutowych. Składa się on ze sprężarki, która zwiększa ciśnienie napływającego powietrza, następnie paliwo jest stale dodawane do przepływu i spalane, a gorące gazy spalinowe są rozprężane w turbinie. Sprawność zależy w dużej mierze od stosunku ciśnienia wewnątrz komory spalania p2 do ciśnienia na zewnątrz p1

η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {{displaystyle {eta _{rm {th}}=1-{bigg (}{frac {p_{2}}}{p_{1}}}}{{bigg )}^{frac {1-{gamma }}},}

Inne sprawnościEdit

Nie należy mylić sprawności cieplnej z innymi sprawnościami, które są stosowane przy omawianiu silników. Powyższe wzory sprawności oparte są na prostych wyidealizowanych modelach matematycznych silników, bez tarcia i z cieczami roboczymi, które przestrzegają prostych reguł termodynamicznych zwanych prawem gazu idealnego. Prawdziwe silniki mają wiele odstępstw od idealnego zachowania, które powodują straty energii, zmniejszając rzeczywistą sprawność poniżej teoretycznych wartości podanych powyżej. Przykłady to:

• tarcie ruchomych części
• nieefektywne spalanie
• straty ciepła z komory spalania
• odstępstwo płynu roboczego od właściwości termodynamicznych gazu idealnego
• opór powietrza poruszającego się przez silnik
• energia zużywana przez urządzenia pomocnicze, takie jak pompy oleju i wody.
• 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.