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[求助] 对热机卡诺热效率公式的疑问

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发表于 2009-10-17 16:50:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
标准的卡诺效率公式
ηt=1-低温端绝对温度/高温端绝对温度

假设一柴油机,燃烧室平均温度1600摄氏度,排气门温度750摄氏度
ηt=1-(750+273)/(1600+273)
ηt=1-1023/1873
ηt=.4538
则此柴油机的热效率为45%
假设一斯特林机,热腔温度650摄氏度,冷腔温度50摄氏度
ηt=1-(50+273)/(650+273)
ηt=1-323/923
ηt=.65
则此斯特林机的热效率为65%
假设一蒸汽机,气缸温度540摄氏度,凝结温度99摄氏度
ηt=1-(99+273)/(540+273)
ηt=1-372/813
ηt=.54
则此蒸汽机的热效率为54%
单纯套用公式计算热效率,似乎斯特林机是一个效率很高的热机,但是,现实环境中,斯特林机的应用却非
常之少,斯特林的好坏很多技术贴都已经分析过了,我就不废话,现在先说说普通内燃机和蒸汽机。
柴、汽、液化气内燃机,其工质都是气体,利用气体热膨胀来推动活塞做工,且其高、低温端工质都是气体
,在计算热机效率时,我们当然不能按常识取摄氏温度来计算。
可是,蒸汽机却有一个与内燃机不同的工质,水,它在蒸汽轮或蒸汽活塞中,存在一个冷端相变的过程,在
热端中,它是汽态,在冷端中它是液态,我们可以在斯特林机中,将气体在冷端降到室温来提高热效率,甚
至可以为了单纯追求热效率,干脆把冷端泡液氦里算了。
但是,在蒸汽机里,一个基本常识告诉我们,如果把冷端冷凝水降到98摄氏度,我们都必须在加热器为这多
出的1摄氏度付出最少每克4卡路里的热量,所以蒸汽机的冷端,理想状态应该是在从汽态刚好转变到液态时
的温度,才不会为在锅炉里重新加热循环水而浪费热量。
同时,可能有人会说,蒸汽机热效率计算,怎么能取99摄氏度呢?排气温度应该在100摄氏度以上,至少在
排气门打开的时候,气缸内蒸汽应该还是处于汽态,如果排气温度是99摄氏度,水在气缸内凝结了,活塞怎
么可能被推动。
    的确,水蒸汽不能在气缸内凝结,蒸汽机排气温度应该是在100摄氏度以上的汽态,所以,如果按卡诺
效率计算热效率,应该是计算冷端温度100摄氏度以上的排汽温度,可是,问题出现了。
    既然计算蒸汽机冷端温度应该在100摄氏度以上,那就是说,它应该还是汽态,既然热效率计算时,冷
端采用排汽温度嗯,那要冷凝器干什么?,让100摄氏度以上的蒸汽直接再压回加热器加热?
    如果取消冷凝器,照这样做,首先会在排汽端产生一个非常大的背压,热端蒸汽要做功,首先就要浪费
热量来克服这个背压,同时,从整体结构看,没有了冷凝器的蒸汽机没有废热排出路径,岂不成了第二类永
动机?根本无法运转嘛!
    既然计算热效率按上面诉取排汽温度不成立,那取99摄氏度就应该成立啦,我的新问题又出来了
    既然冷端取99摄氏度,从卡诺热效率的公式看,冷端越冷,热端越热,效率就越高,而且前面也说过另
一个问题,按卡诺效率计算,冷端应该尽可能的冷,而已经很明确的另一点,蒸汽机冷凝水水温降到摄氏99
度以下,在将冷凝水加热到蒸汽前,热能根本就是在无谓的浪费。开氏0度加热到摄氏99度前,水体积根本
不会有什么膨胀,无法做功啊。
    我们来做个假设,假设我们生活的世界是个极冷的世界,冷到什么程度呢?只有开氏30度,很冷,水是以固态存在的,
瓦特先生于是没有水来发明蒸汽机,于是乎,他看到了某种液体,并且发现,固体水的比热容和这种液体差不多,并且,加热这种液体到开氏81度就变成了气体,然后,他做出了一台机器,加热这种液体,利用这种液体膨胀来做功的蒸液机。瓦特先生很蒙昧,只考虑到通过冷凝器冷凝液体可以省燃料,没有考虑过什么热效率的问题,后来,卡诺先生提出了卡诺循环,再后来,科技进步,最高温度开氏520度的蒸液机开始发电了,这个时候,蒸液机效率真高啊,卡诺效率达到了85%
    奇了怪了,在一个环境温度是开氏30度左右的地方,将工质从沸点开氏81度加热了440度做工,效率就是85%,在一个环境温度是摄氏30度左右的地方,将工质从沸点摄氏100度加热到摄氏540度做工,效率怎么就变成54%了呢?它们可都是开氏440度的温差啊,如果这两种工质比热容相当,则工质所吸收的热能是相等的,在热机构造相同的情况下,输出工效率怎么会有如次大的差别呢?
    电学里有一个概念,基准零电位,电压是相对的,例如,我们手上有两块五号电池,每块电压是1.5伏,当我们把电池串联时,得到的是3伏电压,如果在串联的两块电池中间引出一根线,则,这根线对另外两头而言,就是分别的正负1.5伏的电位差,换到热机里效率里来理解,开氏O度,是热运动停止的温度,而我们常温环境,则像从串联电池里抽出的头一样,我们必须从开氏0度取正,为什么不能从常温环境向下取负呢?
    也许这样不好理解,让我们来做另外一个比喻,我们用势能来对比热效率问题
    假设条件,我们在海下挖了个洞,洞很深,有多深呢,一直挖到地心吧,反正挖到重力消失的地方为止,在地底下的洞口放了个水力发电机,然后,在旁边树了个水塔,水塔有多高呢,我们向地底下挖的洞有多深,塔就树多高,然后塔下在海平面位置也放了个水力发电机,那按我们计算热效率的方法来计算这两个水力发电机的效率,对比我们使用开氏温度O度,我们是不是必须使用地心无重力点做势能的基准点,岂不是塔下的水力发电机效率只有地心的那个水力发电机效率的一半么?
    蒸汽机和斯特林机,在我看来,只是所采用工质的区别,和结构上少许的区别,水在常温下是液态,自然环境已经将它加热到了开氏300度左右,我们只是将它再加热到摄氏100度以上变成蒸汽,在一个闭式循环的蒸汽机里,水一直在液态和汽态间转换,将热能转换成机械能,斯特林机因为工质的凝结点和比热容不同,所以结构上不需要冷凝器,如前所述,如果我们的环境温度在开氏30度,我们可能只能使用氢和氦来制作斯特林机了,因为,在这种条件下,氮和氧早就不是气体了.做出来只能叫蒸氮机或者蒸氧机.
    接着说说内燃机.
    有个关于内燃机进气设计的问题,似乎也是互相矛盾的,打开一台富康牌小车的引擎盖,你会发现,在空滤器前的进气管有个负压开关控制的进气歧路阀门,当大油门时,进气负压会把进气路径从冷空气改为从水箱散热气吸取热空气,这个阀门在很多旧车上已经在N多次的修理中,被人为扔掉了,我也真不明白设计这个阀门干什么,大油门吸热空气?既然这样设计是正确的,那为什么高功率发动机要采用废气增压?另外还要加个中冷器来冷却进气温度呢?
    如果按教条上所说,这两种方法都是正确的,通过水箱的热水预热空气进入发动机,可以利用一部分浪费掉的散热热能,通过中冷器冷却进气,可以提高进气密度,看到这两种解释,我真晕了,不知道到底谁正确,
    再来看看涡轮增压带中冷器的柴油机和三轴燃气轮机,同样发现了个矛盾的设计,三轴燃气轮机一级压气到二级压气间采用中冷,二级压气到燃烧室之间却采用废气回热,想不明白!
 楼主| 发表于 2009-10-18 23:09:04 | 显示全部楼层
言简意赅就是这个意思:
1:
在一个环境温度是开氏30度左右的地方,使用某种液体做工质的蒸汽机,将工质从沸点开氏81度加热了440度做工,效率就是85%,在一个环境温度是摄氏30度左右的地方,使用某种液体做工质的蒸汽机,将工质从沸点摄氏100度加热到摄氏540度做工,效率怎么就变成54%了呢?它们可都是开氏440度的温差啊,如果这两种工质比热容相当,则工质所吸收的热能是相等的,在热机构造相同的情况下,输出工效率怎么会有如次大的差别呢?
2:
环境温度,液、气相变温度,对热效率都是有直接的影响的,可为什么这些温度参数都没有出现在热效率公式中
3:
本文后段描述了一些关于内燃机进气设计中自相矛盾的地方,如何解释
发表于 2009-10-20 12:24:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 克虏伯火炮 于 2009-10-20 12:50 编辑

在一个环境温度是开氏30度左右的地方,使用某种液体做工质的蒸汽机,将工质从沸点开氏81度加热了440度做工,效率就是85%,在一个环境温度是摄氏30度左右的地方,使用某种液体做工质的蒸汽机,将工质从沸点摄氏100度加热到摄氏540度做工,效率怎么就变成54%了呢?它们可都是开氏440度的温差啊,如果这两种工质比热容相当,则工质所吸收的热能是相等的,在热机构造相同的情况下,输出工效率怎么会有如次大的差别呢?
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热效率是不能按照你这样 设想 或者 推论 算的。
简单地说,这是由于气体自身特性决定的。800K的蒸汽,从100大气压膨胀到1大气压,降温比如说300度,那么400度的蒸汽在同样的涡轮中,同样从100大气压膨胀到1大气压,降温只有150度。
可见,虽然在你的设定里,温度差同样是440度,但其他条件的不同,系统各部分输出功率和消耗功率等等都不同。所以不能简单地就认为其他方面没有差别。

PS.我每天都登录,你发贴的当天就看见了,手懒,勿怪。其实你应该找本热力工程学,系统地学习一下。这其实也是我手懒一直煤回复你的原因。
发表于 2009-10-20 18:43:48 | 显示全部楼层
在空滤器前的进气管有个负压开关控制的进气歧路阀门,当大油门时,进气负压会把进气路径从冷空气改为从水箱散热气吸取热空气
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我没接触过汽车发动机,不知道你说的是什么,也没验证过,帮不上你忙,勿怪。
不过,还是仔细看一下会不会是废气再循环的进气口。
发表于 2011-7-17 20:38:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 hbjzq 于 2011-7-23 15:00 编辑

研究热机就会涉及热机效率表达式,在这里探讨一下热机效率的表达式。传统的热机效率表达式为 : 59829813ga72b956305d1&690.jpg
式中η为热机效率,T2为高温热源温度,T1为低温热源温度,热机效率为温度的函数。这个表达式存在明显的错误,温度为T2的高温气体在温度为T1的低温热源中最多只能释放比例为T2-T1的内能,高温气体在温度为T1的低温热源中温度不可能降得比T1还低,不可能释放比例为T2-0的内能,因此T2-T1是总功,应做分母而不是分子。把高温热源的温度改为T3,低温热源的温度还为T1,高温气体做完功后,温度降为T2,T2应是一个低于T3高于T1的温度,热机的效率表达式应为:
59829813ga72c2d150c36&690.jpg
    用这个效率表达式分析卡诺热机就会发现卡诺热机是一种效率为100%的热机,也是一种永动机因此做不出来。
    http://blog.sina.com.cn/hbjzq
发表于 2014-3-31 12:29:30 | 显示全部楼层
非常认同“hbjzq”为热机效率表达式加入T3值,但与我理解的T3涵义略有不同,热效率表达式应为:η=T1-T2-T3/T1,其中T1为高温温度, T2为低温温度, T3为排放温度,
T3排放温度较高且无法利用是目前所有热机效率不高主要原因。尤其是汽车类的排放温度和其污染,实在让人不敢恭唯奥托循环带给人类的福音还是恶梦。
不像数学定理可以被证明为真,物理定律的证明是一个没有止境的过程,不断向着真相接近 ,不要指望人类某一天能够掌握绝对真理,那是与不断运动和发展的物质世界相违背的。
科学家所抽象出来的物理定律,是在一定的时间,空间,环境,条件下完成认识,实践,验证的东西,只是相对的,部分的真理,不能保证在所有可能的情况下100%有效或者准确。
williow  31/03/14
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