Eficiencia térmica, Motores térmicos, Conversión de energía, Las bombas de calor y refrigeradores, Eficiencia energética, Eficiencia energética de los intercambiadores de calor

En la termodinámica, la eficiencia térmica es una medida adimensional rendimiento de un dispositivo que utiliza energía térmica, tal como un motor de combustión interna, una turbina de vapor o un motor de vapor, una caldera, un horno, o un refrigerador, por ejemplo.

En general, la eficiencia de conversión de energía es la relación entre la potencia útil de un dispositivo y la entrada, en términos de energía. Para la eficiencia térmica, la entrada,, al dispositivo es el calor, o el contenido de calor de un combustible que se consume. La salida deseada es el trabajo mecánico, o el calor, o posiblemente ambos. Debido a que el calor de entrada normalmente tiene un verdadero coste económico, una definición genérica memorable de la eficiencia térmica es

Desde la primera ley de la termodinámica, la producción de energía no puede exceder de la entrada, por lo que

Cuando se expresa como un porcentaje, la eficiencia térmica debe estar entre 0% y 100%. Debido a las ineficiencias tales como la fricción, la pérdida de calor, y otros factores, la eficiencia de los motores térmicos 'son típicamente mucho menos de 100%. Por ejemplo, un motor de gasolina de automóvil típico opera a alrededor de 25% de eficiencia, y un gran carbón-alimentado eléctrica generación de picos de plantas en alrededor de 46%. El motor diesel más grande de las cumbres mundiales en el 51,7%. En una planta de ciclo combinado, las eficiencias térmicas se acercan al 60%. Tal un valor en el mundo real puede ser utilizado como una figura de mérito para el dispositivo.

Para los motores que se quema un combustible que hay dos tipos de eficiencia: la eficiencia térmica térmica indicada y la eficiencia térmica del freno. Esta eficacia sólo es apropiado cuando se comparan los tipos similares o dispositivos similares.

Para otros sistemas de los detalles de los cálculos de eficiencia varían, pero la entrada no dimensional sigue siendo la misma. Eficiencia energética = energía de entrada/salida

Motores térmicos

Motores térmicos transforman la energía térmica, o calor, Qin en energía mecánica, o en el trabajo, Wout. Ellos no pueden hacer esta tarea perfectamente, por lo que parte de la energía térmica de entrada no se convierte en el trabajo, pero se disipa en forma de calor Qout residuos en el medio ambiente

La eficiencia térmica de un motor térmico es el porcentaje de la energía térmica que se transforma en trabajo. La eficiencia térmica se define como

La eficacia de incluso los mejores motores de calor es baja, por lo general por debajo del 50% y, a menudo muy por debajo. Así que la energía que se pierde en el medio ambiente por los motores de calor es un importante desperdicio de recursos energéticos, a pesar de cogeneración moderna, ciclos combinados y sistemas de reciclado de energía están comenzando a utilizar este calor para otros fines. Dado que una gran fracción de los combustibles producidos en todo el mundo ir a accionan los motores de calor, tal vez hasta la mitad de la energía útil producida en todo el mundo se desperdicia en la ineficiencia del motor. Esta ineficiencia se puede atribuir a tres causas. Hay un límite teórico en general a la eficiencia de cualquier motor de calor debido a la temperatura, llamado la eficiencia de Carnot. En segundo lugar, los tipos específicos de motores tienen límites más bajos en su eficiencia debido a la irreversibilidad intrínseca del ciclo del motor que utilizan. En tercer lugar, el comportamiento no ideal de los motores reales, como la fricción mecánica y las pérdidas en el proceso de combustión provoca más pérdidas de eficiencia.

Eficiencia de Carnot

La segunda ley de la termodinámica pone un límite fundamental en la eficiencia térmica de todos los motores térmicos. Incluso un motor ideal, sin fricción no se puede convertir en cualquier lugar cerca del 100% de su calor de entrada al trabajo. Los factores limitantes son la temperatura a la que el calor entra en el motor, y la temperatura del medio ambiente en el que el motor agota su calor residual,, medidos en una escala absoluta, tales como la escala Kelvin o Rankine. Desde el teorema de Carnot, para cualquier motor de trabajo entre estas dos temperaturas:

Este valor límite se llama la eficiencia del ciclo de Carnot, ya que es la eficiencia de un ciclo de inalcanzable, ideal, reversible motor llamado el ciclo de Carnot. No hay dispositivo de conversión de calor en energía mecánica, con independencia de su construcción, puede superar esta eficiencia.

Ejemplos de son la temperatura del vapor caliente que entra en la turbina de una planta de energía de vapor, o la temperatura a la que el combustible se quema en un motor de combustión interna. es por lo general la temperatura ambiente donde se encuentra el motor, o la temperatura de un lago o río que el calor residual se descarga en. Por ejemplo, si un motor de automóvil de gasolina se quema a una temperatura de la temperatura ambiente y es, a continuación, su máxima eficiencia posible es:

Se puede observar que, dado que está fijado por el medio ambiente, la única manera para que un diseñador para aumentar la eficiencia de Carnot de un motor es aumentar, la temperatura a la que se añade el calor para el motor. La eficiencia de los motores ordinarios de calor también aumenta generalmente con la temperatura de funcionamiento, y los materiales estructurales avanzados que permiten a los motores para operar a temperaturas más altas es un área activa de investigación.

Debido a las otras causas se detallan a continuación, los motores de prácticas tienen una eficiencia muy por debajo del límite de Carnot. Por ejemplo, el motor del automóvil promedio es de menos de 35% de eficiencia.

El teorema de Carnot sólo se aplica a los motores de calor, donde se quema combustible. Los dispositivos que convierten la energía del combustible directamente en el trabajo sin quemarla, como las pilas de combustible, pueden exceder el rendimiento de Carnot.

La eficiencia del ciclo de motor

El ciclo de Carnot es reversible y por lo tanto representa el límite superior en la eficiencia de un ciclo de motor. Ciclos del motor prácticas son irreversibles y por lo tanto tienen la eficiencia inherentemente inferior a la eficiencia de Carnot cuando se opera entre las mismas temperaturas y. Uno de los factores que determinan la eficiencia es cómo se añade calor al fluido de trabajo en el ciclo, y la forma en que se elimina. El ciclo de Carnot alcanza la máxima eficiencia, porque todo el calor se añade al fluido de trabajo a la temperatura máxima, y se retira a la temperatura mínima. Por el contrario, en un motor de combustión interna, la temperatura de la mezcla de combustible-aire en el cilindro está en ninguna parte cerca de su temperatura pico como el combustible comienza a quemar, y sólo alcanza la temperatura máxima medida que se consume todo el combustible, por lo que la temperatura media en la que el calor se añade es menor, lo que reduce la eficiencia.

Un parámetro importante en la eficiencia de los motores de combustión es la relación de calor específico de la mezcla de aire-combustible,?. Esto varía un poco con el combustible, pero generalmente está cerca del valor de aire de 1,4 - Este valor estándar se utiliza por lo general en las ecuaciones de motor de ciclo por debajo, y cuando se hace esta aproximación, el ciclo se denomina un ciclo de aire estándar.

  • Ciclo Otto: coches El ciclo Otto es el nombre para el ciclo utilizado en motores de encendido por chispa de combustión interna, tales como la gasolina y el hidrógeno alimentado motores de automóviles. Su eficiencia teórica depende de la relación de compresión r del motor y la relación de calor específico? del gas en la cámara de combustión.

 Por lo tanto, la eficiencia aumenta con la relación de compresión. Sin embargo, la relación de compresión de los motores de ciclo Otto está limitada por la necesidad de evitar que la combustión no controlada conocida como golpeando. Los motores modernos tienen relaciones de compresión en el rango de 8 a 11, lo que resulta en eficiencias de ciclo ideal de 56% a 61%.

  • Ciclo Diesel: camiones y trenes en el ciclo Diesel utilizados en camiones diesel y motores de los trenes, el combustible es encendido por compresión en el cilindro. La eficiencia del ciclo Diesel es dependiente de r y? como el ciclo de Otto, y también por la relación de corte, RC, que es la relación del volumen del cilindro al comienzo y al final del proceso de combustión:

 El ciclo Diesel es menos eficiente que el ciclo de Otto cuando se utiliza la misma relación de compresión. Sin embargo, los motores diesel son prácticos 30% - 35% más eficiente que los motores de gasolina. Esto se debe a que, ya que el combustible no es introducido en la cámara de combustión hasta que se requiere para la ignición, la relación de compresión no está limitado por la necesidad de evitar que se golpeen, por lo que se utilizan relaciones más altas que en los motores de encendido por chispa.

  • Ciclo de Rankine: las centrales de vapor El ciclo Rankine es el ciclo utilizado en las centrales eléctricas de turbinas de vapor. La gran mayoría de la energía eléctrica en el mundo se produce con este ciclo. Como fluido de trabajo del ciclo, el agua, los cambios de líquido a vapor y la espalda durante el ciclo, su eficacia depende de las propiedades termodinámicas del agua. La eficiencia térmica de las modernas plantas de turbinas de vapor con ciclos de recalentamiento puede llegar a 47%, y en centrales de ciclo combinado, en el que una turbina de vapor es alimentado por el calor de escape de una turbina de gas, que puede aproximarse a 60%.
  • Ciclo Brayton: turbinas de gas y motores de jet El ciclo Brayton es el ciclo utilizado en turbinas de gas y motores de aviones. Se compone de un compresor que aumenta la presión del aire de entrada, a continuación, el combustible se añade continuamente al flujo y se quema, y los gases de escape calientes se expanden en una turbina. La eficiencia depende en gran medida de la relación de la presión dentro de la cámara de combustión p2 a la presión fuera de p1

Otras deficiencias

Las fórmulas de eficiencia anteriores se basan en modelos matemáticos simples idealizadas de motores, sin fricción y fluidos de trabajo que obedecen a las reglas termodinámicas simples llamados la ley de los gases ideales. Motores reales tienen muchas desviaciones del comportamiento ideal que la energía de residuos, la reducción de la eficiencia reales muy por debajo de los valores teóricos dados anteriormente. Ejemplos son:

  • la fricción de las piezas móviles
  • combustión ineficiente
  • pérdida de calor de la cámara de combustión
  • salida del fluido de trabajo de las propiedades termodinámicas de un gas ideal
  • resistencia aerodinámica de aire que se mueve a través del motor
  • energía utilizada por los equipos auxiliares, como bombas de aceite y agua
  • compresores y turbinas ineficientes
  • sincronización de la válvula imperfecta

Otra fuente de ineficiencia es que los motores deben ser optimizados para otros objetivos, además de la eficiencia, como la baja contaminación. Los requisitos para los motores de vehículos son especialmente estrictas: deben ser diseñados para bajas emisiones, la aceleración adecuada, empezando rápido, ligero, de poco ruido, etc Estos requieren compromisos en el diseño que reducen la eficiencia. La media del motor del automóvil es sólo alrededor de 35% de eficiencia, y también se mantendrá al ralentí en los semáforos, perder un 17% adicional de la energía, lo que resulta en una eficiencia global de 18%. Plantas generadoras eléctricas estacionarias grandes tienen menos de estos requisitos de competencia, así como los ciclos de Rankine más eficientes, por lo que son mucho más eficientes que los motores de los vehículos, en torno al 50% Por lo tanto, la sustitución de vehículos de combustión interna con vehículos eléctricos, que funcionan con una batería que se carga con la electricidad generada por la quema de combustible en una planta de energía, tiene el potencial teórico para aumentar la eficiencia térmica del uso de energía en el transporte, disminuyendo de este modo la demanda de combustibles fósiles.

Al comparar los diferentes motores de calor como fuentes de energía, tales como energía eléctrica o la energía para hacer funcionar los vehículos, la eficiencia del motor solo es sólo un factor. Para dar una comparación significativa, se debe considerar la eficiencia global de toda la cadena de suministro de energía desde la fuente de combustible para el consumidor. Aunque el calor perdido por los motores de calor es por lo general la mayor fuente de ineficiencia, factores tales como el coste de energía de refinación de combustible y el transporte, y la pérdida de energía en líneas de transmisión eléctrica para el transporte, que pueden compensar la ventaja de un motor de calor más eficiente.

Conversión de energía

Para un dispositivo que convierte la energía de otra forma en energía térmica, la eficiencia térmica es

donde las cantidades son valores calor equivalentes.

Por lo tanto, para una caldera que produce una salida de 210 kW para cada entrada de calor 300 kW-equivalente, su eficiencia térmica es 210/300 = 0.70, o 70%. Esto significa que el 30% de la energía se pierde en el ambiente.

Un calentador de resistencia eléctrica tiene una eficiencia térmica cerca de 100%. Al comparar las unidades de calefacción, tales como un calentador de resistencia eléctrica altamente eficiente a un 80% de eficiencia horno a gas natural, se necesita un análisis económico para determinar la opción más rentable.

Efectos del valor calorífico del combustible

El valor calorífico de un combustible es la cantidad de calor que se libera durante una reacción exotérmica y es una característica de cada sustancia. Se mide en unidades de energía por unidad de la sustancia, por lo general medios, tales como: kJ/kg, J/mol.

El valor calorífico de los combustibles se expresa como el HHV, LHV, o GHV para distinguir el tratamiento de calor de los cambios de fase:

  • Valor de calentamiento superior se determinará poniendo todos los productos de la combustión de nuevo a la temperatura de pre-combustión original, y, en particular, cualquier condensación de vapor producido. Este es el mismo que el calor termodinámico de la combustión.
  • Calorífico inferior se determina restando el calor de vaporización del vapor de agua desde el valor más alto de calentamiento. La energía necesaria para vaporizar el agua por lo tanto no se realiza en forma de calor.
  • Valor calorífico bruto representa el agua en el escape que salga en forma de vapor, e incluye agua líquida en el combustible antes de la combustión. Este valor es importante para combustibles como la madera o el carbón, que normalmente contiene una cierta cantidad de agua antes de la grabación.

¿Qué definición del valor de calentamiento se está utilizando afecta significativamente la eficiencia de cualquier cita. No declarar si una eficiencia es HHV o PCI hace que estos números muy engañoso.

Las bombas de calor y refrigeradores

Las bombas de calor, refrigeradores y acondicionadores de aire utilizan el trabajo para mover el calor de un frío a un lugar cálido, por lo que su función es lo contrario de un motor térmico. La energía de trabajo que se aplica a ellos se convierte en calor, y la suma de esta energía y la energía térmica que se mueve desde el depósito frío es igual a la energía total de calor añadido al depósito caliente

Su eficacia se mide por un coeficiente de rendimiento. Las bombas de calor se miden por la eficiencia con la que añaden calor al depósito caliente, COPheating; refrigeradores y acondicionadores de aire por la eficiencia con la que eliminar el calor desde el interior frío, COPcooling:

La razón para no usar el término "eficiencia" es que el coeficiente de rendimiento de frecuencia puede ser mayor que 100%. Dado que estos dispositivos se están moviendo de calor, no se crea, la cantidad de calor que se mueven puede ser mayor que el trabajo de entrada. Por lo tanto, las bombas de calor pueden ser una forma más eficiente de calefacción que simplemente convertir el trabajo de entrada en calor, como en un calentador eléctrico o un horno.

Puesto que son los motores de calor, estos dispositivos también están limitados por el teorema de Carnot. El valor límite de Carnot "eficiencia" de estos procesos, la igualdad teóricamente alcanzable sólo con un ciclo de 'reversible' ideal, es la siguiente:

El mismo dispositivo que se utiliza entre las mismas temperaturas es más eficiente cuando se considera como una bomba de calor que cuando se considera como un refrigerador:

Esto se debe a que cuando se calienta, el trabajo se utiliza para ejecutar el dispositivo se convierte en calor y se suma al efecto deseado, mientras que si el efecto deseado se está enfriando el calor resultante del trabajo de entrada es sólo un subproducto no deseado.

Eficiencia energética

La "eficiencia térmica" se llama a veces la eficiencia energética. En los Estados Unidos, en el uso cotidiano de la SEER es la medida más común de la eficiencia energética de los dispositivos de refrigeración, así como para las bombas de calor cuando están en su modo de calefacción. Para los dispositivos de calentamiento de conversión de energía de su eficiencia térmica en estado estacionario máxima se afirma a menudo, por ejemplo, "este horno es 90% eficiente", sino una medida más detallada de la eficacia energética estacional es la eficiencia en la utilización anual de combustible.

Eficiencia energética de los intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor de flujo a contracorriente es generalmente 100% de eficiencia en la transferencia de energía de calor de un circuito a la otra, aunque a una ligera pérdida en la temperatura. Sin embargo, para obtener una imagen más completa de la eficacia de los intercambiadores de calor, exergéticos consideraciones deben ser tenidas en cuenta.