熱效率

在熱力學中，熱效率是一個無因次的物理量，指的就是熱機的效率，也就是熱機運作過程中，熱機可以產生機械能作功之能量與熱源可提供的總能量的比。formula_2其中formula_3為燃料總能量formula_4為產生機械能作功根據熱力學第一定律，熱機的熱效率恆小於100%。熱泵及製冷裝置也有類似的無因次物理量，稱為效能係數的比例，其數值可大於1。例如，家用空調系統的COP大約是3，代表輸入1kW電力時，其製冷量是3kW。簡介.一般而言，能量轉換效率是指一個能源轉換裝置所輸出可利用的能量，相對其輸入能量的比值。以熱效率而言，輸入的能量formula_5是熱量或所消耗燃料中含有的燃燒熱，希望輸出的能量是機械功formula_6，或是熱，或是希望兩者都輸出。由於輸入的能量一般都會有其對應的成本，熱效率可以用以下的方式定義formula_7根據熱力學第一定律，輸出能量不可能超過輸入能量，所以formula_8若以百分比表示，熱效率介於0%到100%之間。由於摩擦力、熱損失等因素，熱機效率一般會低於100%。例如汽油引擎的效率大約是30%，燃煤的火力發電廠效率大約是46%，世界上最大的柴油引擎是由芬蘭製造的Wärtsilä-Sulzer RTA96-C，最高效率約有51.7%。若是燃氣渦輪發動機加上蒸汽渦輪發動機的複合迴圈發電，熱效率可以接近60%。熱效率的數值可以視為類似裝置的。熱機.熱機將熱能"Qin"轉換為機械能或功"Wout"。其能量無法完全的轉換，有部份的輸入熱能無法轉換為功，其能量會以廢棄熱的形式流失。formula_9熱機的熱效率是指熱能轉換為功的百分比。其定義如下formula_10即使是最好的熱機其熱效率都不高，熱機的熱效率一般會低於50%，而且多半會遠低於該數值。熱機的廢棄熱是能源浪費的主因之一，現在已透過汽電共生、聯合迴圈、等方式設法將廢棄熱再作利用。熱效率無法到達100%的原因主要有三個：卡諾效率.熱力學第二定律指出所有熱機的熱效率均有一個基本的上限值，即使是一個沒有摩擦力的理想熱機，也無法將輸入的熱完全轉換為機械功。熱效率的上限和熱機輸入熱的溫度formula_12有關，兩者均以熱力學溫標或蘭金溫標之類的絕對溫標表示。根據卡諾定理任一個有相同熱源溫度formula_11及冷源溫度formula_12的熱機，其效率滿足以下的不等式：formula_15此限制值是一個無法達到的可逆卡諾迴圈的熱效率，也稱為卡諾迴圈效率或卡諾效率，不論熱機裝置的結構為何，其將熱轉換為機械能的效率均無法超越卡諾迴圈效率。熱源溫度formula_11可以是火力發電廠中熱蒸氣的溫度，或是內燃機引擎中燃料燃燒的溫度。冷源溫度formula_12通常是熱機的環境溫度，或是 發電廠附近提供冷卻用水源的河或湖溫度。例如一汽車的引擎燃燒汽油，其溫度為formula_18，環境溫度為formula_19，其最大可能熱效率為：formula_20由於在後續段落中提到的其他因素，實際引擎的熱效率都會比卡諾迴圈效率要低，例如實際汽車引擎的熱效率大都低於35%。由於卡諾定理只針對熱機，若一裝置用其他非燃燒的方式將燃料的能量轉換為功，則其效率就不受卡諾定理的限制。由於冷源溫度formula_12一般會受到環境的限制，可以提昇引擎卡諾效率的唯一方式是提高熱源溫度。這也是適用在所有熱機引擎的通則：效率隨溫度上昇而提高。因此長期來看，引擎的工作溫度也一直持續上昇，而且也有許多研究是有關可以使引擎承受更高溫的新材料技術，例如陶瓷。引擎迴圈效率.卡諾迴圈是一個可逆迴圈，實際的熱機迴圈是不可逆的，因此其熱效率會比運作在相同熱源溫度formula_11及冷源溫度formula_12的卡諾迴圈要低。在一個熱機迴圈中，熱加入流體的方式及熱由流體中移出的方式決定其熱效率。在卡諾迴圈中，所有的熱都在流體到達最高溫formula_11時加入，也都在流體到達最低溫formula_25時被移出，因此其效率最高。在實際內燃機引擎中，汽缸中只有在燃料完全燃燒時才會接近最高溫度，在熱加入汽缸中的氣體時，油氣混合物溫度不是在最高溫度，因此也使得熱效率下降。formula_26壓縮比越高，汽缸中的燃料燃燒的溫度越高，因此效率也越高。不過壓縮比太高容易有爆震問題，也就是油氣混合物在火星塞點火前，就因為高溫高壓而提前自燃的情形。油氣混合物的熱容比"γ"和燃料有關，不過大致接近空氣的熱容比數值1.4。在以下的熱機迴圈中都會以1.4為熱容比的標準值。若以此方式近似油氣混合物熱容比，其熱機迴圈也稱為空氣標準迴圈。formula_27當壓縮比相同時，狄塞爾迴圈的熱效率會比奧圖迴圈要差。不過實際的柴油引擎熱效率比汽油引擎要高30%左右。其原因是由於燃料在需要燃燒時才進入燃燒室，不需考慮爆震問題，因此可以使用比汽油引擎更高的壓縮比，也就提昇了效率。formula_28其他降低效率的因素.以上的熱效率公式的基礎是簡化的引擎數學模型，不考慮摩擦力，工作介質氣態時均遵守理想氣體狀態方程。實際引擎有許多特性和簡化模型不同，因此熱效率會較上述的公式低。以下是一些影響實際引擎熱效率的因素：另一個造成效率低下的原因是引擎設計時不單要考慮熱效率，也要考慮其他因素，造成熱效率的下降。一般車用引擎的效率只有35%，而且在路口等紅綠燈時又以怠速運轉，因此整體效率只有18%。大型發電廠不需同時考慮這些因素，而且使用的是效率較佳的朗肯迴圈，因此其熱效率比車用引擎好，大約是50%。因此將傳統車輛改為電動載具，其電池由發電廠燃燒燃料來供電，因為發電廠的熱效率較車用引擎要好，理論上可以增加從燃料一直到運輸車輛的能源轉換效率，也可以減少燃料的消耗。當比較使用不同熱機的能量，引擎效率只是其中的一個因素而已。此時需考慮由燃料到消費者端，整個能源供應鏈的整體效率。雖然由熱能產生的廢熱常是主要降低效率的因素，但像是燃料精煉及運用需要的能量，電能藉傳輸線輸送時的能量損失也都對不同熱機選用的評估造成整體效率的影響。其他能量轉換裝置.像是鍋爐或爐之類的能量轉換裝置，其熱效率定義如下formula_29.因此，若一個鍋爐輸入等效於300 kW時。其熱效率為210/300 = 0.70，也就是70%。輸入的熱能中有30%成為環境中的廢熱。相較於鍋爐，電熱器的效率可以接近100%。 不過在比較不同加熱裝置時，不單只考慮熱效率，也需要進行工程經濟分析來確認哪一種加熱方式的成本最低。燃料熱值的影響.燃料的熱值定義為當燃燒定量燃料時所可以釋放的熱能。每種燃料的熱值依其化學元素及結構而不同，它一般用單位物質的量、單位質量或單位體積的燃料燃燒時放出的能量計量，其中又以使用單位質量的最常見。常用的熱值單位有kcal/kg, kJ/kg, J/mol, BTU/m³。燃料熱值可以分為HHV。在計算熱效率時，使用的燃料熱值定義方式會對效率計算有很大的影響。若未標明使用高熱值或低熱值計算效率，所得的結果常會造成誤解。熱泵及製冷裝置.熱泵、冰箱及冷氣的原理是利用功的輸入，使熱量從低溫處移到高溫處，其功能恰好與熱機相反。移入高溫熱庫QH的熱能等於輸入的功以及從低溫熱庫QC移出熱能的和：formula_30這類裝置的效能是由效能係數來表示。熱泵作為供熱裝置時的能效是提供熱能到高溫熱庫的能效COPheating，而冰箱及冷氣等製冷裝置的能效是則是從低溫熱庫抽出熱能的能效COPcooling：formula_31formula_32此處不使用「效率」一詞的原因是能效數值常會超過100%，和一般對效率的概念不符。由於這類裝置的功用是在傳遞熱能，不是在進行熱能轉換，裝置所傳遞的熱能可以大於輸入的功。因此熱泵會比其他能量直接轉換為熱的裝置要節省能源。熱泵的效能也受到卡諾定理的限制。其能效有一理論上限，和高溫熱庫及低溫熱庫的溫度有關：formula_33formula_34上述不等式的等號只有熱泵為可逆迴圈時才會成立。在固定熱源冷源溫度的條件下，熱泵作為供熱裝置的效能係數會比其作為製冷裝置時的效能係數要好：formula_35其原因是因為供熱裝置的功能是提供熱能給高溫熱庫，而製冷裝置的功能是從低溫熱庫中抽取能量，而輸入功轉換為熱能，提供給高溫熱庫，在供熱裝置中是有用的能量輸出，而在製冷裝置中只能視為所產生的廢熱，不是有用的能量輸出。能源效率.熱效率有時也稱為能源效率。在美國常用可以考慮一年中不同季節的影響，是比較詳細的評量方式。