Energetická účinnost - Exergy efficiency

Energetická účinnost (také známý jako účinnost druhého zákona nebo racionální účinnost) počítá účinnost systému ve vztahu k jeho výkonu v reverzibilních podmínkách. Je definován jako poměr tepelné účinnosti skutečného systému ve srovnání s idealizovanou nebo reverzibilní verzí systému pro tepelné motory. Lze jej také popsat jako poměr užitečného pracovního výkonu systému k reverzibilnímu pracovnímu výkonu pro systémy náročné na práci. U chladniček a tepelných čerpadel je to poměr skutečné COP a reverzibilní COP.

Motivace

Důležitost účinnosti druhého zákona je nutná proto, že účinnost prvního zákona nezohledňuje pro srovnání idealizovanou verzi systému. Samotné použití efektivnosti prvního zákona může vést k přesvědčení, že systém je efektivnější, než je ve skutečnosti. K získání realističtějšího obrazu účinnosti systému je tedy zapotřebí účinnost druhého zákona. Z druhý zákon termodynamiky lze prokázat, že žádný systém nemůže být nikdy stoprocentně efektivní.

Definice

The exergie B rovnováha procesu dává:

{displaystyle B_ {in} = B_ {out} + B_ {lost} + B_ {zničeno} qquad {mbox {(1)}}}

s energetickou účinností definovanou jako:

{displaystyle eta _ {B} = {frac {B_ {out}} {B_ {in}}} = 1- {frac {(B_ {lost} + B_ {zničený})} {B_ {in}}} qquad { mbox {(2)}}}

U mnoha technických systémů to lze přeformulovat jako:

{displaystyle eta _ {B} = {frac {{dot {W}} _ {net}} {{dot {m}} _ {fuel} Delta G_ {T} ^ {0}}} qquad {mbox {(3 )}}}

Kde ${displaystyle Delta G_ {T} ^ {0}}$ je standardní Gibbsova (volná) energie reakce při teplotě ${displaystyle T}$ a tlak ${displaystyle p_ {0} = 1mathrm {bar}}$ (také známý jako standard Gibbsova funkce změna), ${displaystyle {dot {W}} _ {net}}$ je čistý pracovní výkon a ${displaystyle {dot {m}} _ {palivo}}$ je hmotnostní průtok paliva.

Stejným způsobem lze energetickou účinnost definovat jako:

{displaystyle eta _ {E} = {frac {{dot {W}} _ {net}} {{dot {m}} _ {fuel} Delta H_ {T} ^ {0}}} qquad {mbox {(4 )}}}

Kde ${displaystyle Delta H_ {T} ^ {0}}$ je standardní entalpie reakce při teplotě ${displaystyle T}$ a tlak ${displaystyle p_ {0} = 1mathrm {bar}}$ , pro všechna paliva ${displaystyle Delta G_ {T} ^ {0}$ takže energetická účinnost musí být vždy větší než energetická účinnost.

aplikace

Zničení exergie úzce souvisí s vytvářením entropie a jakýkoli systém obsahující vysoce nevratné procesy bude mít nízkou energetickou účinnost. Jako příklad lze uvést, že spalovací proces uvnitř plynové turbíny elektrárny je vysoce nevratný a bude zde zničeno přibližně 25% vstupu energie.

U fosilních paliv je volná entalpie reakce obvykle jen o málo menší než entalpie reakce, takže z rovnic (3) a (4) vidíme, že energetická účinnost bude odpovídajícím způsobem větší než účinnost energetického zákona. Například typická elektrárna na kombinovaný cyklus spalující metan může mít energetickou účinnost 55%, zatímco její energetická účinnost bude 57%. 100% energeticky účinná elektrárna spalující metan by odpovídala energetické účinnosti 98%.

To znamená, že pro mnoho paliv, která používáme, je maximální dosažitelná účinnost> 90%, nicméně v mnoha situacích jsme omezeni na Carnotovu účinnost, protože se používá tepelný motor.

Pokud jde o Carnotův tepelný motor

Běžná mylná představa je, že energetická účinnost porovnává daný cyklus s a Carnotův tepelný motor. To je nesprávné, protože Carnotův motor je nejefektivnější možný tepelný motor, ale ne nejúčinnější zařízení pro vytváření práce. Palivové články například může teoreticky dosáhnout mnohem vyšší efektivity než Carnotův motor.^[1]^[2]

Účinnost druhého zákona při maximálním výkonu

Ani první, ani druhý zákon termodynamiky nezahrnují míru rychlosti transformace energie. Když je míra maximální rychlosti transformace energie zahrnuta do míry účinnosti druhého zákona, je známá jako účinnost druhého zákona při maximálním výkonu a přímo souvisí s princip maximálního výkonu (Gilliland 1978, s. 101).

Viz také

Reference

^ Atkins, Peter (2002). Fyzikální chemie (7. vydání). Oxford University Press. str.96, 262, 1038. ISBN 0-7167-3539-3.
^ Hamann, Carl (2007). Elektrochemie (2. vyd.). Wiley-VCH. str. 486. ISBN 978-3-527-31069-2.

M.W. Gilliland (1978) Energetická analýza: nový nástroj veřejné politiky, Westview Press.
Yunas A. Cengel, Michael A. Boles (2015) Termodynamika: Inženýrský přístup, McGraw-Hill Education.

[1] Atkins, Peter (2002). Fyzikální chemie (7. vydání). Oxford University Press. str.96, 262, 1038. ISBN 0-7167-3539-3.

[2] Hamann, Carl (2007). Elektrochemie (2. vyd.). Wiley-VCH. str. 486. ISBN 978-3-527-31069-2.

[1]

[2]