Eficiencia térmica

En la termodinámica, eficiencia térmica ()${\displaystyle \eta _{\rm {th}}$) es una medida de rendimiento sin dimensiones de un dispositivo que utiliza energía térmica, como un motor de combustión interna, turbina de vapor, motor de vapor, caldera, horno, refrigerador, ACs etc.

Para un motor térmico, la eficiencia térmica es la relación entre la producción neta de trabajo y la entrada de calor; En el caso de una bomba de calor, la eficiencia térmica (conocida como coeficiente de rendimiento) es la relación entre la producción neta de calor (para calefacción) o el calor neto extraído (para refrigeración) y la entrada de energía. (trabajo externo). La eficiencia de un motor térmico es fraccionaria ya que la salida es siempre menor que la entrada, mientras que el COP de una bomba de calor es mayor que 1. Estos valores están aún más restringidos por el teorema de Carnot.

Descripción general

En general, la eficiencia de conversión de energía es la relación entre la salida útil de un dispositivo y la entrada, en términos energéticos. Para la eficiencia térmica, la entrada, ${\displaystyle Q_{\rm {in}}$, al dispositivo es calor, o el contenido de calor de un combustible que se consume. La salida deseada es el trabajo mecánico, ${\displaystyle ¿Qué?$, o calor, ${\displaystyle Q_{\rm {}}}$, o posiblemente ambos. Debido a que el calor de entrada normalmente tiene un costo financiero real, una definición memorable y genérica de eficiencia térmica es

$${\displaystyle \eta _{\rm {\equiv {\frac {\text{benefit}{\text{cost}}}}}$$

De la primera ley de la termodinámica, la producción de energía no puede exceder la entrada, y por la segunda ley de la termodinámica no puede ser igual en un proceso no-ideal, así que $${\displaystyle 0\leq \eta _{\rm {th}traducido1}$$

Cuando se expresa como porcentaje, la eficiencia térmica debe estar entre 0% y 100%. La eficiencia debe ser inferior al 100% porque existen ineficiencias como la fricción y la pérdida de calor que convierten la energía en formas alternativas. Por ejemplo, un motor de automóvil de gasolina típico funciona con una eficiencia de alrededor del 25%, y una gran planta generadora de electricidad alimentada con carbón alcanza un máximo de alrededor del 46%. Sin embargo, los avances en las regulaciones de los deportes de motor de Fórmula 1 han empujado a los equipos a desarrollar unidades de potencia altamente eficientes que alcanzan un máximo de eficiencia térmica de entre el 45% y el 50%. El motor diésel más grande del mundo alcanza un máximo del 51,7%. En una central de ciclo combinado, las eficiencias térmicas se acercan al 60%. Un valor de este tipo en el mundo real puede utilizarse como figura de mérito para el dispositivo.

Para motores donde se quema combustible, existen dos tipos de eficiencia térmica: eficiencia térmica indicada y eficiencia térmica de freno. Esta forma de eficiencia sólo es apropiada cuando se comparan tipos similares o dispositivos similares.

Para otros sistemas, los detalles de los cálculos de eficiencia varían, pero la entrada adimensional sigue siendo la misma:
Eficiencia = Energía de salida / energía de entrada.

Motores térmicos

Los motores térmicos transforman la energía térmica, o calor, Q_in en energía mecánica, o trabajo, W_out. No pueden realizar esta tarea a la perfección, por lo que parte de la energía térmica entrante no se convierte en trabajo, sino que se disipa como calor residual Q_out <. 0 en los alrededores:

${\displaystyle Q_{in}= foreverW_{\rm {out} - ¡Hola!$

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

${\displaystyle \eta _{\rm {th}\equiv {\fnMicroc {\fnMicrosoft} {\fnMicrosoft} {\fnMicrosoft} {\fnh}} {\fnh} {\fn}\fnh}}\fnK}} {\fnh}\fn}\fnh\fnh}\fn\fnh\fnh}\fnh}\fnh}}\fnhnh}\fnhnh}\fnhnhnh}\fnh}\fnh\fnh\fnh\fnh00}\fnh\fnh\fnh\fnh}\fnh\fnh\fnhnhnhnhnhnh}\fnh\fnh}\fnh\fnhnh\fnh\fnh00}\fnh}\fnh}\fnhnh}\fnh00}}\fnhnhnh}\fnh} {}}={\frac} {\fnh}-Principalmente {\fnh}¿Qué? {in}}=1-{\frac} {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnh} {\fnh}} {\f}}}} {\fn}}} {\fnh}}} {\fn\fn\fn}}} {\\fn\f}}}}}}}\\\\\fn\\\fn\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}$

La eficiencia incluso de los mejores motores térmicos es baja; normalmente por debajo del 50% y a menudo muy por debajo. Por tanto, la energía que los motores térmicos pierden en el medio ambiente es un importante desperdicio de recursos energéticos. Dado que una gran fracción de los combustibles producidos en todo el mundo se destina a alimentar motores térmicos, quizás hasta la mitad de la energía útil producida en todo el mundo se desperdicie en la ineficiencia de los motores, aunque los sistemas modernos de cogeneración, ciclo combinado y reciclaje de energía están comenzando a utilizar este calor para otros fines. . Esta ineficiencia puede atribuirse a tres causas. Existe un límite teórico general para la eficiencia de cualquier máquina térmica debido a la temperatura, llamado eficiencia de Carnot. En segundo lugar, tipos específicos de motores tienen límites más bajos en su eficiencia debido a la irreversibilidad inherente 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, provocan mayores pérdidas de eficiencia.

Eficiencia de Carnot

La segunda ley de la termodinámica pone un límite fundamental en la eficiencia térmica de todos los motores de calor. Incluso un motor ideal sin fricciones no puede convertir en trabajo casi el 100% de su calor de entrada. Los factores limitantes son la temperatura a la que el calor entra en el motor, ${\displaystyle T_{\rm {H}\,}$, y la temperatura del ambiente en el que el motor agota su calor de desperdicio, ${\displaystyle T_{\rm {C}\,}$, medido en una escala absoluta, como la escala Kelvin o Rankine. Desde el teorema de Carnot, para cualquier motor que funcione entre estas dos temperaturas:

${\displaystyle \eta _{\rm {th}\leq 1-{\frac {T_{\rm} {C} {\fn} {\fn}} {\fn}}} {\fn}}} {\fn}}} {\c}}}} {}}}}}} {\f}}}}} {\c}}}} {\c}}}}} {\c}}}}} {\c}}}}}}}} {}} {}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}} {}}} {} {}}}} {}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\$

Este valor límite se llama eficiencia del ciclo de Carnot porque es la eficiencia de un ciclo de motor reversible, ideal e inalcanzable llamado ciclo de Carnot. Ningún dispositivo que convierta calor en energía mecánica, independientemente de su construcción, puede superar esta eficiencia.

Ejemplos de ${\displaystyle T_{\rm {H}\,}$ son la temperatura del vapor caliente que entra en la turbina de una central de vapor, o la temperatura a la que el combustible se quema en un motor de combustión interna. ${\displaystyle T_{\rm {C}}$ es generalmente la temperatura ambiente donde se encuentra el motor, o la temperatura de un lago o río en el que se descarga el calor de los residuos. Por ejemplo, si un motor de automóvil quema gasolina a una temperatura de ${\displaystyle ¿Qué?$ y la temperatura ambiente ${\displaystyle ¿Qué?$, entonces su máxima eficiencia posible es:

${\displaystyle \eta _{\rm {th}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}\right)100\%=73.0\%}$

Se puede ver que desde entonces ${\displaystyle T_{\rm {C}}$ se fija por el medio ambiente, la única manera para un diseñador para aumentar la eficiencia de Carnot de un motor es aumentar ${\displaystyle T_{\rm {H}}$, la temperatura a la que se añade el calor al motor. La eficiencia de los motores de calor ordinarios también aumenta generalmente con la temperatura de funcionamiento, y los materiales estructurales avanzados que permiten que los motores funcionen a temperaturas más altas es un área activa de investigación.

Debido a otras causas que se detallan a continuación, los motores prácticos tienen eficiencias muy por debajo del límite de Carnot. Por ejemplo, el motor de un automóvil promedio tiene una eficiencia inferior al 35%.

El teorema de Carnot se aplica a los ciclos termodinámicos, donde la energía térmica se convierte en trabajo mecánico. Los dispositivos que convierten la energía química de un combustible directamente en trabajo eléctrico, como las pilas de combustible, pueden superar la eficiencia de Carnot.

Eficiencia del ciclo del motor

El ciclo Carnot es reversible y representa el límite superior en la eficiencia de un ciclo de motor. Los ciclos prácticos de motores son irreversibles y por lo tanto tienen una eficiencia inherentemente menor que la eficiencia de Carnot cuando se opera entre las mismas temperaturas ${\displaystyle T_{\rm {H}}$ y ${\displaystyle T_{\rm {C}}$. Uno de los factores que determinan la eficiencia es cómo se agrega el calor al fluido de trabajo en el ciclo, y cómo se elimina. El ciclo de Carnot alcanza la máxima eficiencia porque todo el calor se añade al fluido de trabajo a la temperatura máxima ${\displaystyle T_{\rm {H}}$, y removido a la temperatura mínima ${\displaystyle T_{\rm {C}}$. En cambio, en un motor de combustión interna, la temperatura de la mezcla de combustible-aire en el cilindro no está cerca de su temperatura máxima ya que el combustible comienza a quemar, y sólo alcanza la temperatura máxima ya que todo el combustible se consume, por lo que la temperatura promedio a la que se añade calor es menor, reduciendo la eficiencia.

Un parámetro importante en la eficiencia de los motores de combustión es la relación de calor específico de la mezcla de aire y combustible, γ. Esto varía un poco según el combustible, pero generalmente se acerca al valor del aire de 1,4. Este valor estándar se utiliza generalmente en las ecuaciones del ciclo del motor que aparecen a continuación y, cuando se realiza esta aproximación, el ciclo se denomina ciclo estándar de aire.

• Ciclo Otto: automóviles El ciclo Otto es el nombre para el ciclo utilizado en motores de combustión interna de chispa-ignición como motores de gasolina e hidrógeno alimentados de automóviles. Su eficiencia teórica depende de la relación de compresión r del motor y la relación de calor específica γ del gas en la cámara de combustión. $${\displaystyle \eta _{\rm {}=1-{\frac {1}{\r^{\gamma} - ¿Sí?$$ Así, la eficiencia aumenta con la relación de compresión. Sin embargo, la relación de compresión de los motores del ciclo Otto está limitada por la necesidad de evitar la combustión incontrolada conocida como golpe. Los motores modernos tienen ratios de compresión en el rango 8 a 11, lo que resulta en eficiencias ideales de ciclo del 56% al 61%.
• Ciclo diesel: camiones y trenes En el ciclo Diesel utilizado en camiones diesel y motores de tren, el combustible está encendido por compresión en el cilindro. La eficiencia del ciclo Diesel depende de r y γ como el ciclo Otto, y también por el ratio de corte, r_c, que es la relación del volumen del cilindro al principio y al final del proceso de combustión: $${\displaystyle \eta _{\rm {}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}}{\gamma }{\gamma (r_{\rm {}-1)}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\$$ El ciclo Diesel es menos eficiente que el ciclo Otto al utilizar la misma relación de compresión. Sin embargo, los motores diesel prácticos son 30% - 35% más eficientes que los motores de gasolina. Esto se debe a que, dado que el combustible no se introduce en la cámara de combustión hasta que sea necesario para el encendido, la relación de compresión no está limitada por la necesidad de evitar el golpe, por lo que se utilizan ratios más altas que en motores de encendido de chispa.
• Ciclo Rankine: centrales de vapor El ciclo Rankine es el ciclo utilizado en plantas de energía de turbina de vapor. La abrumadora mayoría de la energía eléctrica del mundo se produce con este ciclo. Dado que el fluido de trabajo del ciclo, el agua, cambia de líquido a vapor y de vuelta durante el ciclo, sus eficiencias dependen de las propiedades termodinámicas del agua. La eficiencia térmica de las modernas plantas de turbinas de vapor con ciclos de recalentamiento puede alcanzar el 47%, y en las plantas de ciclo combinado, en las que una turbina de vapor se alimenta con calor de escape de una turbina de gas, puede acercarse al 60%.
• Ciclo de Brayton: turbinas de gas y motores jet El ciclo Brayton es el ciclo utilizado en turbinas de gas y motores jet. Consiste en un compresor que aumenta la presión del aire entrante, luego el combustible se añade continuamente al flujo y se quema, y los gases de escape caliente se expanden en una turbina. La eficiencia depende en gran medida de la relación de presión dentro de la cámara de combustión p₂ a la presión exterior p₁ $${\displaystyle \eta _{\rm {}=1-\left({\frac {\fnMicrosoft Sans Serif} {\fnMicrosoft Sans Serif} {1-\gamma ♫{\gamma }$$

Otras ineficiencias

No se debe confundir la eficiencia térmica con otras eficiencias que se utilizan cuando se habla de motores. Las fórmulas de eficiencia anteriores se basan en modelos matemáticos idealizados simples de motores, sin fricción y con fluidos de trabajo que obedecen reglas termodinámicas simples llamadas ley de los gases ideales. Los motores reales tienen muchas desviaciones del comportamiento ideal que desperdician energía, reduciendo las eficiencias reales por debajo de los valores teóricos indicados anteriormente. Ejemplos son:

• fricción de partes móviles
• combustión ineficiente
• pérdida de calor de la cámara de combustión
• salida del fluido de trabajo de las propiedades termodinámicas de un gas ideal
• aerodinámica arrastrar el aire a través del motor
• energía utilizada por equipos auxiliares como bombas de aceite y agua.
• compresores y turbinas ineficientes
• ajuste de la válvula

Estos factores pueden tenerse en cuenta al analizar los ciclos termodinámicos; sin embargo, la discusión sobre cómo hacerlo está fuera del alcance de este artículo.

Conversión de energía

Para un dispositivo que convierte energía de otra forma en energía térmica (como un calentador eléctrico, una caldera o un horno), la eficiencia térmica es

${\displaystyle \eta _{\rm {th}\equiv {\fnMicroc {\fnMicrosoft} {\fnMicrosoft} {\fnMicrosoft} {\fnh}} {\fnh} {\fn}\fnh}\fnh}}\fnh} {\fn\fnh} {\fnh}\fnh}\fnh00}\fn\fnh}\fnh}}}}\f}}}\fnhnh}\fnh}\fn\fnh}\fnh}\fn\fnh\fnh00}\fnh\fnh\fnh\fnh\fnh\fnh\fn\fnhnhnhnhnh\fnhnh}\fnh}\fnh\fnh00\fnh\fnh\fnh00}\fnh\fnhnh}\fnhnh}\fnhnhnh}}\fnh {}}}$

Donde ${\displaystyle Q}$ las cantidades son valores equivalentes al calor.

Entonces, para una caldera que produce 210 kW (o 700 000 BTU/h) de salida por cada 300 kW (o 1 000 000 BTU/h) de entrada de calor equivalente, su eficiencia térmica es 210/300 = 0,70, o 70 %. Esto significa que el 30% de la energía se pierde al medio ambiente.

Un calentador de resistencia eléctrica tiene una eficiencia térmica cercana al 100%. Al comparar unidades de calefacción, como un calentador de resistencia eléctrica altamente eficiente con un horno alimentado con gas natural con una eficiencia del 80%, se necesita un análisis económico para determinar la opción más rentable.

Efectos del poder calorífico del combustible

El poder calorífico de un combustible es la cantidad de calor liberado durante una reacción exotérmica (por ejemplo, combustión) y es una característica de cada sustancia. Se mide en unidades de energía por unidad de sustancia, generalmente masa, como por ejemplo: kJ/kg, J/mol.

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

• Valor de calefacción superior ()HHV) está determinado por traer todos los productos de combustión de vuelta a la temperatura original de precombustión, y en particular condensando cualquier vapor producido. Esto es lo mismo que el calor termodinámico de la combustión.
• Valor de calefacción inferior ()LHV(o valor calórico neto) se determina restando el calor de la vaporización del vapor de agua del valor de calefacción superior. La energía necesaria para vaporizar el agua por lo tanto no se realiza como calor.
• Valor bruto de la calefacción cuenta para el agua en el escape dejando como 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 generalmente contienen cierta cantidad de agua antes de quemar.

La definición de poder calorífico que se utiliza afecta significativamente cualquier eficiencia citada. No indicar si una eficiencia es HHV o LHV hace que dichas cifras sean muy engañosas.

Bombas de calor y frigoríficos

Las bombas de calor, los refrigeradores y los aires acondicionados utilizan el trabajo para mover el calor de un lugar más frío a un lugar más cálido, por lo que su función es la opuesta a la de un motor térmico. La energía de trabajo (W_in) que se les aplica se convierte en calor, y la suma de esta energía y la energía térmica que se toma del depósito frío ( Q_C) es igual a la magnitud de la energía térmica total emitida al depósito caliente (|Q_H|)

$################################################################################################################################################################################################################################################################ {C}+W_{\rm {in}}$

Su eficiencia se mide mediante un coeficiente de rendimiento (COP). Las bombas de calor se miden por la eficiencia con la que desprenden calor al depósito caliente, COP_calefacción; refrigeradores y aires acondicionados por la eficiencia con la que absorben calor del espacio frío, COP_enfriamiento:

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\equiv {\frac {\fnMicrosoft} {}}={\frac} {\fnh}+W_{\rm} {\fn} {\fn} {\fnK}} {\fn}} {\fn}} {\fn}} {\fn}} {\fn}} {\fn}}} {\fn}}}} {\fn}}} {\\fn} {\fn}}}}} {\fn\\\fn}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\cH {in}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }+1\,}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\equiv {\frac {\fnMicrosoft Sans Serif} {C} {\fn} {\fnMicrosoft}} {\fnMicrosoft}} {\fnMicrosoft}}} {\f}}}} {\fn}} {\fn}}} {\fn}} {\fn}}} {\f}}} {\f}}}}} {\fn\f}}}}}} {\\f}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\cH {in}}\,}$

La razón por la que se utiliza el término "coeficiente de rendimiento" se utiliza en lugar de "eficiencia" es que, dado que estos dispositivos mueven calor, no lo crean, la cantidad de calor que mueven puede ser mayor que el trabajo de entrada, por lo que el COP puede ser mayor que 1 (100%). Por lo tanto, las bombas de calor pueden ser una forma más eficiente de calentar que simplemente convertir el trabajo de entrada en calor, como en un calentador o horno eléctrico.

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

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} }\leq {\frac {\fnh} {\fnh} {\fnh}} {\fnh}} {\fnh}} {\fn\fn}} {\fn}}} {\fn\fnh}}}} {\fn\fn}}}}}} {\fn\\\\fn\fnh}}}}}} {\\\\\\\\fnh}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\cH}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {H}-T_{\rm} {C}}=\mathrm {COP}$

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }\leq {\frac {T_{\rm} {C}{T_{\rm} {H}-T_{\rm} {C}}=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling,Carnot}$

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

${\displaystyle \mathrm {COP} _{\mathrm {heating} #=\mathrm {COP} _{\mathrm {cooling} }+1}$

Esto se debe a que cuando se calienta, el trabajo utilizado para hacer funcionar el dispositivo se convierte en calor y se suma al efecto deseado, mientras que si el efecto deseado es enfriar, el calor resultante del trabajo de entrada es solo un subproducto no deseado. A veces, el término eficiencia se utiliza para la relación entre el COP alcanzado y el COP de Carnot, que no puede exceder el 100%.

Eficiencia energética

La 'eficiencia térmica' A veces se le llama eficiencia energética. En los Estados Unidos, en el uso diario, el SEER es la medida más común de eficiencia energética para dispositivos de refrigeración, así como para bombas de calor cuando están en modo calefacción. Para los dispositivos de calefacción por conversión de energía, a menudo se indica su eficiencia térmica máxima en estado estacionario, por ejemplo, "este horno tiene una eficiencia del 90%", pero una medida más detallada de la efectividad energética estacional es la eficiencia anual en el uso de combustible (AFUE ).

Intercambiadores de calor

Un intercambiador de calor a contraflujo es el tipo más eficiente de intercambiador de calor para transferir energía térmica de un circuito a otro. Sin embargo, para obtener una imagen más completa de la eficiencia del intercambiador de calor, se deben tener en cuenta consideraciones exergéticas. La eficiencia térmica de un motor de combustión interna suele ser mayor que la de los motores de combustión externa.