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标题: 热机的效率上限 [打印本页]
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-20 19:33
标题: 热机的效率上限
热机，即利用热力并将其转化成机械能的机械。
热机的效率是由一个上限的。
这个上限在1824年即被发现。而且可以被热力学第二定律证明。
热机效率恒小于  1-低温热源温度/高温热源温度
这里的温度都是绝对温度，即摄氏温度+273。比如环境温度27摄氏度，换成绝对温度则为273+27=300k。

目前：
内燃机内燃烧温度可达1700摄氏度。绝对温度1973k。这个是热机的高温热源温度。
内燃机的排气温度一般在500摄氏度。绝对温度773k。这个是热机的低温热源温度。
所以：
内燃机的效率上限=1-773/1973=60.8%
这个是目前内燃机效率最高上限。
充分燃烧汽油可以提高效率，但是无法突破这个上限。

换水冷，可以提高效率。这也就是降低排气温度。
作者: apchi    时间: 2008-6-20 21:13
没错！
效率最高的内燃机是船用柴油机，可以达到50%以上，一般汽车用发动机为25%-30%，航模用二冲程小甲醇机10%-15%，火车蒸汽机5%-8%
作者: apchi    时间: 2008-6-20 21:16
内燃机一般越大热效率越高，越小升功率（功率/排量）越大，柴油机热效率大于汽油机，四冲程效率高于二冲程。

[ 本帖最后由 apchi 于 2008-6-20 21:19 编辑 ]
作者: 爱美力    时间: 2008-6-21 10:25
但是如果利用这些热能来增强动力呐?
比如利用排出的高温气体来增压,或者用来带动发电机减小发动机的负荷呐?
作者: 爱美力    时间: 2008-6-21 10:27
另外燃气轮机经济转速下的效率是多高呢?
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-21 14:07
原帖由 爱美力 于 2008-6-21 10:25 发表
但是如果利用这些热能来增强动力呐?
比如利用排出的高温气体来增压,或者用来带动发电机减小发动机的负荷呐?

利用排气来增压，是可以节能的。它的本质还是降低排气温度。
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-21 14:14
原帖由 爱美力 于 2008-6-21 10:27 发表
另外燃气轮机经济转速下的效率是多高呢?

目前，一般利用燃气-蒸汽联合循环，以此来提高动力效率。

即将高温高压的燃气冲击叶轮，从而获得做功。
然而排气的温度也相当高，必须加以利用。
把排气通入余热锅炉，加热水蒸气。
具有一定能量的水蒸气再冲击蒸气叶轮，从而又获得一部分功。
这个时候的排汽温度已经很低了，比环境温度高10-20摄氏度。
这个排汽很难再利用了。
即使再利用，也不可能低于环境温度。

去掉各种损耗，目前高效的燃气-蒸气联合循环的效率可达57%。
作者: apchi    时间: 2008-6-21 14:16
原帖由 爱美力 于 2008-6-21 10:25 发表
但是如果利用这些热能来增强动力呐?
比如利用排出的高温气体来增压,或者用来带动发电机减小发动机的负荷呐?

增压方式只能增大功率不能增加效率。
作者: apchi    时间: 2008-6-21 14:26
燃气-蒸汽联合循环对尾气的热能利用并不是转化为机械能，只能说增加能源利用率，不是增加热机效率。实际上燃气轮机的热机效率并不高，比大型活塞式热机（例如船用柴油机）还低，燃气轮机的主要优点在于重量轻、振动小，主要用在航空、军舰、发电。
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-21 16:13
原帖由 apchi 于 2008-6-21 14:26 发表
燃气-蒸汽联合循环对尾气的热能利用并不是转化为机械能，只能说增加能源利用率，不是增加热机效率。实际上燃气轮机的热机效率并不高，比大型活塞式热机（例如船用柴油机）还低，燃气轮机的主要优点在于重量轻、 ...

小伙，去仔细了解一下燃气-蒸气联合循环吧。
比如余姚燃气电厂
作者: apchi    时间: 2008-6-22 01:24
余姚太远了，不去 :L
作者: abednego    时间: 2008-6-24 08:58
原帖由 爱美力 于 2008-6-21 10:25 发表
但是如果利用这些热能来增强动力呐?
比如利用排出的高温气体来增压,或者用来带动发电机减小发动机的负荷呐?


增压的方法是利用多吸入的燃料做功，抵消排气损失，对内燃机效率没有改进，只是增大单位质量的功率

如果用尾气带动发电机，会恶化尾气排放，增加尾气残留压力，恶化排气过程，减低内燃机效率，发电机的输出是弥补不了内燃机的损失的。
作者: 爱美力    时间: 2008-6-25 12:37
那么理论上效率最高的还是2冲内燃机了?
作者: abednego    时间: 2008-6-25 12:51
原帖由 爱美力 于 2008-6-25 12:37 发表
那么理论上效率最高的还是2冲内燃机了?



理论上谈效率是没有什么意义的，理论只是给出一个上限，热机的实现方式对效率影响比较大。
对于一般的二冲程发动机，由于扫气过程会将一部分的有用燃料不经燃烧直接排放所以效率较四冲程发动机低。如果有办法减少燃料的扫气损失，二冲程发动机效率相比四冲程的就不差了，对于一般的低成本二冲程发动机，这个问题解决不了，但是对于大型船舶，发动机是非批量制造的，对成本控制不严，而由于耗油量大，设计的时候会使用各种手段控制油料的扫气损失，而且对燃料的燃烧进行精密的控制，通过这种方式，大型船舶的二冲程发动机效率要高于一般的车用四冲程发动机。
作者: 爱美力    时间: 2008-6-25 21:12
佩服,学习了!
作者: abednego    时间: 2008-6-26 09:34
由于大型船舶内燃机组的转速比较低，一般在500－600转/分钟，所以汽缸内的燃烧过程比一般车用四冲程发动机（转速在3000－4000rpm－10000rpm）好控制。
作者: 北京青年    时间: 2008-6-26 15:15
楼主啊,你怎么能用热机的排气温度当低温热源呢??应该用环境温度呀!低温热源的温度在300多k才对!

卡诺循环只是一种理想化的热机做功计算,实际上永远不可能达到,只能无限接近.至于联合循环和燃料电池等方式,因为不是卡诺循环范畴所以能超过这个效率
作者: 北京青年    时间: 2008-6-26 15:18
另外水冷并不会增加效率,反而还会降低热机效率!因为大量热能会进入冷却水中而无法转化成有用功.所以近年来许多人在研究陶瓷发动机,也就是说用耐热陶瓷来做发动机汽缸套等零件,降低冷却水量,来提高热机效率.
基础知识还需加强!
作者: 行空者    时间: 2008-6-26 17:06
为明天着想，淘汰一切热机，回归用牛拉马拖效率最高最环保。
作者: 爱美力    时间: 2008-6-26 23:48
原帖由 北京青年 于 2008-6-26 15:18 发表
另外水冷并不会增加效率,反而还会降低热机效率!因为大量热能会进入冷却水中而无法转化成有用功.所以近年来许多人在研究陶瓷发动机,也就是说用耐热陶瓷来做发动机汽缸套等零件,降低冷却水量,来提高热机效率.
基 ...

又学习了,也就是说现在的热机使用冷却系统的作用是维持工件在正常工作温度保持一定的强度,实际上热机要想提高效率应该保温才对!
是不是这个样子的?
作者: 爱美力    时间: 2008-6-26 23:49
呵呵,原来还是学柴油机的,上课光睡觉了!
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-27 19:08
原帖由 北京青年 于 2008-6-26 15:15 发表
楼主啊,你怎么能用热机的排气温度当低温热源呢??应该用环境温度呀!低温热源的温度在300多k才对!

卡诺循环只是一种理想化的热机做功计算,实际上永远不可能达到,只能无限接近.至于联合循环和燃料电池等方式,因 ...

低温热源的温度确实应该是排气温度，这一点是很明确的。
排气温度越低，热机效率越高。
环境温度是制约排气温度的下限。
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-27 19:27
原帖由 北京青年 于 2008-6-26 15:18 发表
另外水冷并不会增加效率,反而还会降低热机效率!因为大量热能会进入冷却水中而无法转化成有用功.所以近年来许多人在研究陶瓷发动机,也就是说用耐热陶瓷来做发动机汽缸套等零件,降低冷却水量,来提高热机效率.
基 ...

水冷，确实会带走很多热量，在这方面造成效率降低。
但是，综合效果看，水冷的更省油。
作者: 北京青年    时间: 2008-6-27 20:12
原帖由 脉冲发动机 于 2008-6-27 19:08 发表

低温热源的温度确实应该是排气温度，这一点是很明确的。
排气温度越低，热机效率越高。
环境温度是制约排气温度的下限。

昏倒
同学请再查查资料,卡诺循环的资料到处都查的到的.帮你转一个连接http://baike.baidu.com/view/111772.htm
其中有一段:
...................可以证明，以任何工作物质作卡诺循环，其效率都一致；还可以证明，所有实际循环的效率都低于同样条件下卡诺循环的效率，也就是说，如果高温热源和低温热源的温度确定之后卡诺循环的效率是在它们之间工作的一切热机的最高效率界限。因此，提高热机的效率，应努力提高高温热源的温度和降低低温热源的温度，低温热源通常是周围环境，降低环境的温度难度大、成本高，是不足取的办法。现代热电厂尽量提高水蒸气的温度，使用过热蒸汽推动汽轮机，正是基于这个道理。

前面有人说了,发动机水冷只是为了维持材料在高温下能工作,是降低热效率的,真要提高发动机热效率应该保温才对!但是现有的材料如果没有水冷的话,高温高压下根本无法工作.就算陶瓷发动机也一样有冷却系统的.什么叫综合来看水冷效率高啊??再看看燃气轮机,涡喷也算,提高效率的手段都是增加涡轮前温度.汽车上的涡轮增压器为什么要加中冷器?就是为了降低进气温度,也就是降低低温热源的温度.换句话说,如果吸进来的气体温度已经是1500度了,就算燃料温度是1700度,气体也只能膨胀很小的体积,但是如果吸气温度是30度,那就可以膨胀到很大体积,做更多的功.当初卡诺就是受到水从高处流向地处的启发,才推导出卡诺循环.打个比方就是说如果用水利发电,落差越大则发电效率越高.热能也是一样,宏观上的热能,其实在微观下就是动能,是无数气体分子做布朗运动的宏观效果.

实际上人类利用热能的方法还是很原始的,只能利用工质膨胀做功,这种方法效率注定不会太高.为啥呢?不嫌罗唆我就多说几句.前面说了,热能实际是微观下动能的集合,你可以想象一下,发动机汽缸里面有无数小球,在做高速随机运动,这种运动是无方向性的.但是由于有汽缸壁约束,小球碰到汽缸壁以后反弹(同时传递了一部分动能给汽缸壁,也就是加热了汽缸壁)然后再推动活塞运动做功.这个过程注定要产生能量损耗,也就是冷却水带走的部分.就算没有冷却水,热能还是会以辐射等方式传递出去.举个例子说就是灯泡发光,光线是朝着四面八方发散的,要想让光线向一个方向射,只有加上一个反光碗(相当于汽缸的作用)但是这个反光碗绝无可能把所有光都反射出去.那么有人会说了,激光可以让光线笔直的射很远!对没错!!

现有的热机还停留在聚光灯时代,还没进入激光时代!目前人类还没有能力让气体分子自发的/整齐划一的向一个方向运动.但是就没有办法了吗?其实自然界已经给人类启示了!答案就是龙卷风!龙卷风这台热机就是通过漩涡直接让热能转换成动能的.遗憾的是目前人类还没有办法掌握这种方法.你们可能觉得我说得太悬,是伪科学


下面我介绍一个原创试验,这个试验很简单,但是你决不会在任何网站或资料上找到它,这个试验能够证明我说的热能直接转换为动能!!
首先准备两个冰球,再准备两碗开水,筷子一根. 然后用筷子轻轻沿顺时针或者逆时针搅动其中一碗开水,产生一个初始漩涡(速度不用很快,因为后面它会自我加速的)另一碗开水不搅动,作为对比参照.
接下来,把冰块球放入两碗开水正中,尽量轻一些,排除放入时候的人手干扰. 仔细观察吧!!!!

有初始漩涡的开水碗中,冰球开始会随着初始漩涡慢慢旋转,接着你会发现它越转越快,最后临完全溶解前会达到你刚放进去的转速的n倍!!同时水中的漩涡也会跟着加速,产生出一个明显的涡心凹陷!但是作为对比组的没有初始漩涡的水碗,冰球只会融化而已!这就是科罗科定理的直观再现,甚至能让人联想到麦克斯韦的妖..................

希望这个现象能引起各位的思考,大家一起想办法把这种效应转化为动力机械!
作者: amazontan    时间: 2008-6-28 00:19
喜欢楼上发的草芥科学文章
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-28 13:15
北京青年，很不巧。我就是热力发电厂的员工。
汽轮机的冷源你可以说是环境。也可以说是循环水。
但是计算效率的时候，一定是排汽温度。
电厂的冷却塔（冒白雾的东东）努力的使循环水温接近环境温度。
而凝汽器则努力的使汽轮机排汽温度接近循环水温度。
作者: 北京青年    时间: 2008-6-29 16:07
楼主有点概念混淆!您计算的是热机的"热效率",但您的帖子标题是热机的效率上限,那么让热机效率最大化的是卡诺循环.就差一个字,但是含义可是不同的!既然讨论热机效率上限,那么理所当然就要用卡诺循环的概念了.这点您是否认同??概念不同则结果偏差很大!按照卡诺循环来计算的话,以你给定的前提条件:高温热源=1973k,低温热源=303k 则热机效率的上限为:1-303/1973=84.6%.并非你计算的60.8%.


热电厂用的是复杂循环,还属于外燃机(燃料和工质隔离 间接加热),但本帖子里面又说内燃机,两种截然不同的东西不好放一起说.热电厂用的复杂循环里面有多级热再生/回热器,因为他的工质封闭所以能这么干.内燃机是开放工质,没法进行回热,除非把内燃机和外燃机结合做成联合循环.

我尊重您的职业但是不赞同您的观点
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-29 17:09
循环效率不说了。呵呵
关于热能直接转化为机械能，这个有意思。


一根金属丝，一段放温度较高的地方，另一端放低温区。
那么这段金属两端便产生了电势差。
作者: 脉冲发动机    时间: 2008-6-29 17:19
电势差的大小和金属的性质有关。
大部分的金属产生的电势差很小，目前的应用为热电偶，测温度的。
把两种不同的材料两端连接，这样就构成了闭合的导体回路，由于是不同的材料，所以两端产生的电势差不能抵消，于是回路便有了电流， 测出电流，就测出了温度差。

或许能发现产生大电势差的材料。这样就能直接利用热能了。
作者: 北京青年    时间: 2008-6-29 23:39
呵呵 我说的那个试验有没有试验一下??
你说的这个热电转换,半年前看过一个新闻,美国有个公司用这个类似的原理搞了一个热电芯片项目,据说转换效率还算不错,达到20%-30%.用的是热电子发射概念,类似过去的电子管.

连接在这http://tech.163.com/digi/06/1122/14/30HRO7MJ001618J1.html
我对这个兴趣一般,还是喜欢热机类的.现在在搞一个相变复合工质的斯特林发动机,但愿能成,顺利的话下个月发视频上来.
作者: 北京青年    时间: 2008-6-29 23:56
说点跑题的,去年我搞了一个失败的玩意,是一种热磁相变发动机.原理是利用特殊金属(我用的是钆),室温下有很大的饱和磁化强度,但是加热到60度左右,就产生磁相变,由铁磁质转化成顺磁质.用白话说就是常温下用磁铁去吸则有很大吸力,加热到60度就完全没吸力,反复加热和冷却此金属工质就能对外做功.用这种磁性工质一样可以做热机,而且转的还不错,就是效率实在太低了,功率也很小.主要是受外部磁场强度限制,我找中科院定的强磁体,勉强才到1.5个特斯拉.而且基本上没法再提高了........
白白花了不少冤枉钱,买金属钆就花了2w多(包括真空炉熔炼以及压成片材费用),这东西属于稀土金属,好在中国产量占全球一半,还不算贵的离谱.全当交学费了.............
作者: 飞碟飞    时间: 2008-6-30 14:02
呵呵,普通电机才出来的时候功率也很小
你最好试着分析下这种动力的效率的理论上限,可行的话就继续研究下去
作者: 北京青年    时间: 2008-7-1 00:33
这种动力的效率理论上限,其实有资料可查,我当初也是看了资料才下手去弄的,有兴趣的话搜索一下"磁卡诺循环"或者磁性工质卡诺循环之类的关键词.这些计算最后结论都说效率和卡诺循环完全符合,也是取决于高温低温热源的温差.但是我试验下来却发现不是这么回事,具体问题出在哪里至今也不是很清楚!

另外现在还有一种磁制冷冰箱,是磁工质热机的反向循环.是利用金属钆做工质,进入磁场以后工质会发热,如果把热量散掉,再撤掉磁场,磁性工质就会产生低温.全球许多企业和科研机构都在搞,中国也搞成了一个样机,资料上说这种磁制冷的效率很高,那么反过来说如果做热机的话效率也不会差,但是......................

[ 本帖最后由 北京青年 于 2008-7-1 00:36 编辑 ]
作者: fireofice    时间: 2008-7-31 11:48
大学物力课上貌似学过热效率问题
作者: woaifeiji    时间: 2008-8-28 16:01
讨论激烈啊。 不过LZ所说的似乎是蒸汽轮机， 排气温度和进气温度差越大效率越高， 实际上是进气和排气的压力差，背压低效率就高。
说道活塞机水冷，确实是降低了效率，水冷是为了保护发动机不至于过热死机。

  另外我好奇问一下， 热效率是否和工作介质有很大关系？比如说，用空气作介质，和在内燃机里喷入水，让它气化膨胀， 又或者在机器里喷入液态氮，效率如何计算呢？



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