열효율

Thermal efficiency

열역학에서 열효율( t \ _내연기관, 증기터빈, 증기기관, 보일러, 용해로, 냉장고, AC열에너지를 사용하는 장치의 치수 없는 성능 측정값이다.

엔진에서 열 효율은 열 입력에 대한 순 작업 출력의 비율입니다. 열 펌프의 경우 열 효율(성능 계수)은 에너지 입력에 대한 순 열 출력(난방용) 또는 제거된 순 열(냉각용)의 비율입니다(외부 작업).히트 펌프의 COP가 1보다 큰 반면 출력은 항상 입력보다 작기 때문에 히트 엔진의 효율은 부분적입니다.이 값들은 카르노 정리에 의해 더욱 제한된다.

개요

출력(기계적) 에너지는 항상 입력 에너지보다 낮습니다.

일반적으로 에너지 변환 효율은 장치의 유용한 출력과 입력 사이의 비율입니다.열효율을 위해 장치에 대한 입력 {은 열 또는 소비되는 연료의 열 함량입니다.바람직한 출력은 t \ 또는 , t \ 또는 둘 다입니다.입력 열에는 일반적으로 실제 재무 비용이 들기 때문에 열 효율에[1] 대한 기억에 남는 일반적인 정의는 다음과 같습니다.

열역학 제1법칙에서 에너지 출력은 입력을 초과할 수 없으며, 열역학 제2법칙에 의해 이상적이지 않은 과정에서는 같을 수 없습니다.

열효율은 백분율로 나타낼 때 0%에서 100% 사이여야 합니다.마찰이나 열손실 등 에너지를 대체 형태로 변환하는 비효율성이 있기 때문에 효율은 100% 미만이어야 합니다.예를 들어, 일반적인 가솔린 자동차 엔진은 약 25%의 효율로 작동하며 대형 석탄 연료 발전소는 약 46%에 달합니다. Formula 1 모터스포츠 규제가 발전함에 따라 팀들은 약 45~50%의 열 효율에 이르는 고효율 동력 장치를 개발해야 했습니다.세계에서 가장 큰 디젤 엔진은 51.7%에 달합니다.복합 사이클 플랜트에서는 열효율이 60%[2]에 육박하고 있습니다.이러한 실제 값은 장치의 장점 수치로 사용할 수 있다.

연료가 연소되는 엔진의 경우 두 가지 유형의 열 효율이 있습니다. 즉, 표시된 열 효율과 브레이크 열 [3]효율입니다.이 효율은 유사한 유형 또는 유사한 장치를 비교할 때만 적절합니다.

다른 시스템의 경우 효율 계산의 세부 사항은 다양하지만, 비차원 입력은 여전히 동일합니다.효율 = 출력 에너지 / 입력 에너지

히트 엔진

Carnot heat engine 2.svg

열 엔진은 열 에너지 또는 열 Qin 기계적 에너지 또는 작동 에너지out W로 변환합니다.그들은 이 작업을 완벽하게 수행할 수 없기 때문에 일부 입력 열 에너지는 작업으로 변환되지 않고 폐열out Q < 0으로 주변으로 방출됩니다.

엔진의 열 효율은 작업으로 변환되는 열 에너지의 비율입니다.열효율은 다음과 같이 정의됩니다.

아무리 우수한 열 엔진이라도 효율은 낮습니다. 대개 50% 미만이며 대개는 훨씬 미만이기도 합니다.따라서 열엔진에 의해 환경에 손실되는 에너지는 에너지 자원의 주요 낭비입니다.전 세계에서 생산된 연료의 상당 부분이 열 엔진에 전력을 공급하는 데 사용되기 때문에, 현대 열병합발전, 복합 사이클 및 에너지 재활용 계획이 이 열을 다른 용도로 사용하기 시작했음에도 불구하고, 아마도 전 세계에서 생산된 유용한 에너지의 절반 정도가 엔진 비효율성으로 낭비될 것입니다.이러한 비효율성은 세 가지 원인에 기인할 수 있습니다.온도로 인한 모든 열 엔진의 효율에는 카르노 효율성이라고 하는 전반적인 이론적인 한계가 있습니다.둘째, 특정 유형의 엔진은 사용하는 엔진 사이클의 본질적인 불가역성으로 인해 효율에 대한 한계가 낮습니다.셋째, 연소 과정에서 기계적 마찰이나 손실과 같은 실제 엔진의 이상적이지 않은 거동은 추가적인 효율 손실을 야기합니다.

카르노 효율

열역학 제2법칙은 모든 열엔진의 열효율을 근본적으로 제한합니다.이상적이고 마찰이 없는 엔진이라도 입력 열의 100% 가까이를 작업으로 변환할 수 없습니다.제한 요인으로는 엔진으로 열이 유입되는 온도 H와 엔진이 폐열을 배출하는 환경 (C있습니다 켈빈 또는 랭킨).카르노의 정리에 따르면, 이 [4]두 온도 사이에서 작동하는 모든 엔진에 대해:

제한값은 카르노 사이클이라고 불리는 달성할 수 없는 이상적인 가역적 엔진 사이클의 효율이기 때문에 카르노 사이클 효율이라고 불립니다.열을 기계적 에너지로 변환하는 장치는 구조에 관계없이 이 효율을 초과할 수 없습니다.

예로는 증기발전소의 터빈으로 유입되는 고온증기의 온도나 내연기관에서 연료가 연소되는 온도 등이 있다 C 일반적으로 엔진이 위치한 주변 온도 또는 폐열이 방출되는 호수 또는 강의 온도를 나타냅니다.예를 들어, 자동차 엔진이 를 T H c C F K rm {H}}816^{\circ} {\}} = {\{\text}}}의 온도에서 연소하는 경우 주위온도는 C C F K {\C} } {\}} {\ {\c}} 가능한 최대 효율은 다음과 같습니다.

는 환경에 의해 고정되어 있기 에 설계자가 엔진의 카르노 효율을 높일 수 있는 유일한 방법은 엔진에 열이 가해지는 인 T H T_ 는 것입니다.일반 열엔진의 효율도 일반적으로 작동 온도에 따라 증가하며, 엔진이 고온에서 작동할 수 있는 첨단 구조 재료는 활발한 연구 영역이다.

아래에 자세히 설명되어 있는 기타 원인으로 인해 실제 엔진의 효율은 카르노 한계보다 훨씬 낮습니다.예를 들어, 자동차 엔진의 평균 효율은 35% 미만입니다.

카르노의 정리는 열에너지가 기계적인 작업으로 변환되는 열역학 사이클에 적용된다.연료의 화학 에너지를 직접 전기 작업으로 변환하는 장치(: 연료 전지)는 카르노 효율을 초과할 수 있습니다.[5][6]

엔진 사이클 효율

카르노 사이클은 가역적이므로 엔진 사이클 효율의 상한을 나타냅니다.실제 엔진 사이클은 되돌릴 수 없기 때문에 H {H T {\T_ {C의 동일한 에서 작동할 경우 카르노 효율보다 본질적으로 효율이 낮습니다. 사이클에서 열이 작동 유체에 가해지는 방식 중 하나입니다.제거 방법에 대해 설명합니다.Carnot 사이클은 모든 열이 최대 T T_{\rm {에서 작동 가해지고 온도 T C T_ {C에서 제거되기 때문에 최대 효율을 달성합니다. 이와는 대조적으로 내연기관에서는 혼합 연료와 공기의 온도입니다.실린더는 연료가 연소되기 시작할 때 피크 온도와 전혀 근접하지 않으며, 모든 연료가 소비될 때만 피크 온도에 도달하기 때문에 열이 가해지는 평균 온도가 낮아져 효율이 떨어집니다.

연소 엔진 효율의 중요한 파라미터는 혼합 공연비의 비열비 δ이다.이는 연료에 따라 다소 다르지만 일반적으로 공기 값 1.4에 가깝습니다.이 표준 값은 일반적으로 아래의 엔진 사이클 방정식에 사용되며, 이 근사치가 적용되면 사이클을 공기 표준 사이클이라고 합니다.

  • 오토 사이클: 자동차 오토 사이클은 가솔린 및 수소 연료 자동차 엔진과 같은 스파크 점화 내연 엔진에 사용되는 사이클의 이름입니다.이론적인 효율은 엔진의 압축 비율과 연소실 [4]: 558 내 가스의 비열비†에 따라 달라집니다.
    따라서 압축비와 함께 효율이 높아집니다.그러나 오토 사이클 엔진의 압축비는 노킹으로 알려진 제어되지 않은 연소를 방지해야 하기 때문에 제한됩니다.최신 엔진의 압축비는 8~11%이므로 이상적인 사이클 효율은 56%~61%입니다.
  • 디젤 사이클: 트럭열차 디젤 트럭열차 엔진에 사용되는 디젤 사이클에서 연료는 실린더의 압축에 의해 점화됩니다.디젤 사이클의 효율은 오토 사이클과 마찬가지로 r 및 θ따라 달라지며, 연소 프로세스의 시작 [4]및 종료 시 실린더 체적의 비율인 컷오프 비율 r에도c 따라 달라집니다.
    디젤 사이클은 동일한 압축비를 사용하는 경우 오토 사이클보다 효율이 떨어집니다.그러나 실용적인 디젤 엔진은 가솔린 [7]엔진보다 30~35% 더 효율적입니다.이는 점화 시 필요할 때까지 연료가 연소실로 유입되지 않기 때문에 노킹을 피할 필요성으로 인해 압축비가 제한되지 않기 때문에 스파크 점화 엔진보다 높은 비율이 사용되기 때문입니다.
  • 랭킨 사이클: 증기 발전소 랭킨 사이클은 증기 터빈 발전소에서 사용되는 사이클입니다.세계 전력의 압도적 다수가 이 사이클로 생산된다.사이클의 작동 유체, 물, 사이클 중에 액체에서 증기로 변화하고 다시 돌아오기 때문에 효율은 물의 열역학적 특성에 따라 달라집니다.재가열 사이클이 있는 현대 증기 터빈 공장의 열효율은 47%에 달할 수 있으며, 증기 터빈이 가스터빈의 배열을 통해 구동되는 복합 사이클 공장에서는 [4]60%에 도달할 수 있습니다.
  • 브레이튼 사이클: 가스 터빈과 제트 엔진 브레이튼 사이클은 가스 터빈과 제트 엔진에 사용되는 사이클입니다.유입되는 공기의 압력을 높이는 압축기로 구성되며, 연료가 지속적으로 유량에 추가되어 연소되고, 고온의 배기 가스가 터빈 내에서 팽창합니다.효율은 연소실2 p 내부 압력 대 p 외부1[4] 압력의 비율에 따라 크게 달라집니다.

기타 비효율성

열효율을 엔진에 대해 설명할 때 사용되는 다른 효율과 혼동해서는 안 됩니다.위의 효율 공식은 엔진의 단순 이상화된 수학적 모델을 기반으로 하며, 이상적인 기체 법칙이라고 불리는 간단한 열역학 규칙을 따르는 마찰 및 작동 유체가 없습니다.실제 엔진은 에너지를 낭비하는 이상적인 동작에서 벗어나 실제 효율이 위에 제시된 이론적 값 이하로 떨어집니다.예를 들면 다음과 같습니다.

  • 가동부의 마찰
  • 비효율 연소
  • 연소실로부터의 열손실
  • 작동 유체의 이상 기체의 열역학 특성으로부터의 이탈
  • 엔진을 통과하는 공기의 공기역학적 항력
  • 오일과 양수기와 같은 보조 장비에 의해 사용되는 에너지.
  • 비효율적인 압축기와 터빈
  • 불완전한 밸브 타이밍

이러한 요인은 열역학 사이클을 분석할 때 설명될 수 있지만, 그 방법에 대한 설명은 이 문서의 범위를 벗어납니다.

에너지 변환

다른 형태의 에너지를 열 에너지로 변환하는 장치(예: 전기 히터, 보일러 또는 용해로)의 경우 열 효율은 다음과 같습니다.

여기서 Q Q 열 등가 값입니다.

따라서, 300 kW (또는 1,000,000 BTU/h)의 열 감응 입력마다 210 kW (또는 700,000 BTU/h) 출력을 생성하는 보일러의 경우, 열 효율은 210/300 = 0.70 또는 70%입니다.이는 에너지의 30%가 환경에 의해 손실된다는 것을 의미합니다.

전기저항 히터는 열효율이 100%[8]에 육박한다.고효율 전기 저항 히터와 같은 난방 장치를 80% 효율적인 천연 가스 연료 용해로와 비교할 때 가장 비용 효율적인 선택을 위해서는 경제적인 분석이 필요합니다.

연료 가열 값의 영향

연료가열 값은 발열 반응(예: 연소) 중에 방출되는 열의 양이며 각 물질의 특성입니다.물질의 단위당 에너지 단위로 측정되며, 보통 질량은 kJ/kg, J/mol과 같다.

연료의 가열 값은 상변화의 열처리를 구별하기 위해 HHV, LHV 또는 GHV로 표시됩니다.

  • 모든 연소 생성물을 원래의 연소 전 온도로 되돌리고 특히 생성된 증기를 응축함으로써 높은 가열값(HHV)을 구한다.이것은 연소의 열역학적 열과 같습니다.
  • 높은 발열량에서 수증기의 기화열을 감산하여 낮은 발열량(LHV)(또는 순열량)물을 증발시키는 데 필요한 에너지는 열로 인식되지 않는다.
  • 총 가열 값은 배기 가스의 물이 증기로 남으며, 연소 전 연료에 액체 상태의 물을 포함합니다.이 값은 목재나 석탄과 같은 연료에 중요합니다. 연료는 보통 연소 전에 일정량의 물을 포함합니다.

사용되는 난방 값의 정의는 인용된 효율성에 큰 영향을 미칩니다.효율이 HHV인지 LHV인지 명시하지 않으면 이러한 수치가 매우 오해의 소지가 있습니다.

히트 펌프 및 냉장고

히트 펌프, 냉장고 에어컨은 열을 더 차가운 곳에서 더 따뜻한 곳으로 이동시키기 위해 작업을 사용하기 때문에, 그 기능은 열 엔진과 반대입니다.작업 에너지(Win)는 열로 변환되며, 이 에너지와 냉간 저장고(QC)에서 소비되는 열 에너지의 합계는 온간 저장소로 방출되는 총 에너지의 크기(QH)와 같습니다.

효율은 성능계수(COP)로 측정됩니다.히트 펌프는 고온 저장 장치(COP)에heating 열을 방출하는 효율로 측정되며, 냉장고 및 에어컨은 냉간 공간(COPcooling)에서 열을 흡수하는 효율로 측정됩니다.

"효율성" 대신 "성능 계수"라는 용어를 사용하는 이유는 이러한 장치가 열을 전달하는 것이지 열을 생성하는 것이 아니기 때문에 열이 이동하는 양이 입력 작업보다 클 수 있으므로 COP가 1(100%)보다 클 수 있기 때문입니다.따라서 열 펌프는 전기 히터나 용해로처럼 입력 작업을 단순히 열로 변환하는 것보다 더 효율적인 난방 방법이 될 수 있습니다.

열엔진이기 때문에 카르노의 정리에 의해 제한되기도 한다.이론적으로 이상적인 '역전 가능한' 사이클에서만 동등성을 달성할 수 있는 이러한 프로세스에 대한 카르노 '효율성'의 제한 값은 다음과 같습니다.

동일한 온도에서 사용되는 동일한 장치는 열 펌프로 간주할 때 다음 이후 냉장고로 간주할 때보다 효율적입니다.

이는 가열 시 장치를 작동시키는 데 사용되는 작업이 열로 변환되어 원하는 효과를 더하는 반면, 입력 작업에서 발생하는 열을 냉각하는 것은 원치 않는 부산물일 뿐이기 때문입니다.때로는 100%를 초과할 수 없는 [9]카르노 COP에 대한 달성된 COP의 비율에 효율성이라는 용어가 사용됩니다.

에너지 효율

'열효율'은 때때로 에너지 효율이라고 불립니다.미국에서는 일상적인 사용에서 SEER가 냉각 장치 및 가열 모드에 있는 열 펌프의 에너지 효율의 더 일반적인 척도입니다.에너지 변환 가열 장치의 경우, 최고 정상 상태 열효율은 '이 용해로는 90% 효율입니다'와 같이 종종 언급되지만, 계절 에너지 효율의 보다 자세한 척도는 연간 연료 사용 효율성(AFUE)[10]입니다.

열교환기

역류 열교환기는 한 회로에서 다른 회로로 열에너지를 전달할 때 가장 효율적인 유형의 열교환기입니다.그러나 열교환기 효율성에 대한 보다 완전한 그림을 위해서는 에너지 관련 고려사항이 고려되어야 합니다.내연기관의 열효율은 일반적으로 외연기관의 열효율보다 높습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 공학 열역학 기초, 뉴욕 맥그로힐 하웰과 버키우스, 1987년
  2. ^ GE파워의 H시리즈 터빈
  3. ^ 이론과 실천의 내연기관: 제1권 - 제2판, 개정판, MIT Press, 1985, 찰스 파예트 테일러 - 방정식 1-4, 9페이지
  4. ^ a b c d e Holman, Jack P. (1980). Thermodynamics. New York: McGraw-Hill. pp. 217. ISBN 0-07-029625-1.
  5. ^ Sharma, B. K. (1997). Electro Chemistry, 5th Ed. Krishna Prakashan Media. pp. E-213. ISBN 8185842965.
  6. ^ Winterbone, D.; Ali Turan (1996). Advanced Thermodynamics for Engineers. Butterworth-Heinemann. p. 345. ISBN 0080523366.
  7. ^ "Where does the energy go?". Advanced technologies and energy efficiency, Fuel Economy Guide. US Dept. of Energy. 2009. Retrieved 2009-12-02.
  8. ^ "Energy Saver - Department of Energy". www.energysavers.gov. Archived from the original on 2012-08-23. Retrieved 2010-12-12.
  9. ^ "Coefficient of Performance". Industrial Heat Pumps. Retrieved 2018-11-08.
  10. ^ ASHRAE 핸드북, ASHRAE, Inc., Atlanta, GA, US, 2004의 HVAC 시스템 및 장비 볼륨