În termodinamică randamentul termic ()Popa, MIT2, p. 146 este o mărime adimensională, măsură a performanței unui ciclu termodinamic după care lucrează mașinile termice motoare, cum ar fi un motor cu ardere internă sau externă, turbomotoarele, termocentralele echipate cu turbine cu abur sau locomotivele cu abur acționate de motoare cu abur. Randamentul termic este raportul dintre lucrul mecanic produs de ciclul termodinamic respectiv (lucrul mecanic ciclic, ) și căldura intrată în acel ciclu, :
Pentru mașinile termice generatoare, cum ar fi compresoarele, mașinile frigorifice (frigidere, congelatoare), pompele de căldură și instalațiile de climatizare, care funcționează după un ciclu termodinamic inversat, și la care raportul dintre puterea utilă, și cea consumată (intrată), poate fi supraunitar, se folosește termenul de eficiență termică, :Popa, MIT2, p. 638
La cazane expresia randament termic brut,Corneliu Ungureanu, Generatoare de abur pentru instalații energetice, clasice și nucleare, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1978, p. 74 deși reprezintă și ea un raport între o mărime utilă și una de intrare, acestea nu sunt globale, ca urmare definiția noțiunii este una aparte, iar valoarea, deși de obicei este subunitară, în anumite condiții poate fi ușor supraunitară. De fapt este tot o „eficiență”.
Și la alte echipamente termice, cum ar fi cuptoarele, schimbătoarele de căldură sau aparatele cu jet (ejectoare), se poate vorbi despre diferite „eficiențe” (termică, hidrodinamică), dar aceste noțiuni nu sunt de tip „randament”.
Descriere În general, randamentul conversiei energiei este raportul dintre energia utilă (la ieșire) a unui dispozitiv și cea intrată. Pentru randamentul termic, intrarea în dispozitiv este căldura , (la motoare conținutul de căldură al unui combustibil care este consumat). Ieșirea dorită este lucrul mecanic, sau căldura evacuată sau, eventual, ambele. Deoarece căldura de intrare are în mod normal un cost financiar real, o definiție generică a randamentului termic este Howell and Buckius. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill, New York, 1987
Din principiul întâi al termodinamicii, energia ieșită nu poate fi mai mare decât cea intrată, iar din principiul al doilea al termodinamicii nu poate fi egală într-un proces care nu este unul ideal, deci
Exprimat în procente, randamentul termic trebuie să fie între 0 % și 100 %. De fapt, randamentul trebuie să fie mai mic de 100 % deoarece există pierderi, de exemplu prin frecare, și pierderi care transformă energia în forme alternative. De exemplu, un motor obișnuit de automobil pe benzină funcționează cu un randament efectiv (la cuplă) sub 25 %, iar o termocentrală mare care arde cărbune atinge randamente termice de aproximativ 46 %. Chiar și la motoarele relativ mici, cum sunt cele de la mașinile de Formula 1, se pot obține randamente termice relativ bune (însă renunțând la durabilitate), cu un vârf de aproximativ 45–50 %. Cel mai mare motor diesel din lume, motorul naval Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, atinge randamentul termic de 51,7 %. La o termocentrală cu ciclu combinat randamentul său termic se apropie de 60 %. GE Power’s H Series Turbine
Mașini termice motoare
Mașinile termice motoare funcționează după un ciclu termodinamic direct, la care parcurgerea diagramei ciclului se face în sens orar. Aceste mașini transformă energia termică (căldura) în energie mecanică sub formă de lucru mecanic, . Chiar și în condiții ideale, de exemplu dacă ar funcționa după ciclul Carnot, ele pot face această transformare doar parțial, așa că o parte din energia termică de intrare (provenită de la sursa caldă) nu este convertită în lucru mecanic, ci este evacuată sub formă de căldură, în sursa rece, adică în împrejurimi:
Randamentul termic al unui astfel de ciclu (intuitiv al unui motor) este procentul de energie termică intrată în ciclu care este transformată în lucru mecanic. Randamentul termic al ciclului este definit drept
Randamentul termic chiar și al celor mai bune motoare termice este scăzut, de obicei sub 50 % și adesea mult mai mic. Energia evacuată în mediu de motoarele termice este o risipă majoră de resurse energetice. Deoarece o mare parte din combustibilii produși la nivel mondial sunt destinate acționării motoarelor termice, mult peste jumătate din energia combustibililor este irosită. Doar cogenerarea modernă, ciclul combinat și schemele de reciclare a energiei încep să folosească căldura evacuată, dar în alte procese decât cel al mașinii care a evacuat-o. Această situație poate fi atribuită la trei cauze. Există o limită teoretică generală a randamentului oricărui motor termic dată de temperatură, numit randament Carnot. În al doilea rând, anumite tipuri de motoare au randamente și mai scăzute datorită ireversibilității inerente ciclului după care funcționează. În al treilea rând, comportamentul neideal al motoarelor reale, cum ar fi pierderile mecanice prin frecare și arderea imperfectă provoacă pierderi suplimentare, adică scăderea randamentului efectiv al motorului.
Randamentul Carnot Principiul al doilea al termodinamicii stabilește o limită fundamentală asupra randamentului termic al tuturor motoarelor termice. Chiar și un motor ideal, fără frecare, nu poate converti 100 % din căldura introdusă în lucru mecanic. Factorii limitatori sunt temperatura la care căldura intră în ciclul motorului, și temperatura mediului, în care motorul evacuează căldură, măsurată pe o scară absolută, cum ar fi scara Kelvin. Din teorema lui Carnot, pentru orice motor care funcționează între aceste două temperaturi randamentul termic este:Vlădea, 1974, pp. 180–181Holman, 1980, p. 217
Această valoare limită se numește randamentul ciclului Carnot deoarece este randamentul unui ciclu motor reversibil ideal, de neatins, numit ciclul Carnot. Niciun dispozitiv care convertește căldura în energie mecanică, indiferent de construcția sa, nu poate depăși acest randament.
Exemple de sunt temperatura aburului viu care intră în turbina cu abur a unei termocentrale sau temperatura la care arde combustibilul într-un motor cu ardere internă. este de obicei temperatura ambiantă în care se află motorul sau temperatura unui lac sau râu în care este evacuată căldura din ciclul termocentralei. De exemplu, dacă un motor de automobil arde benzină la o temperatură de iar temperatura mediului ambiant este , atunci randamentul termic maxim posibil este:
Se poate observa că deoarece este fixată de mediu, singura modalitate prin care un proiectant poate crește randamentul Carnot a unui motor este să crească temperatura la care se introduce căldura în motor. Randamentul motoarelor termice obișnuite crește odată cu temperatura de funcționare, dar la motoarele reale temperatura uleiului de ungere de pe peretele cilindrului limitează temperatura gazelor de ardere.
Din cauza altor efecte, detaliate mai jos, motoarele practice au randamente mult sub limita Carnot. De exemplu, motorul mediu al automobilului are un randament maxim sub 35 %.
Teorema lui Carnot se aplică doar ciclurilor termodinamice, în care energia termică este convertită în lucru mecanic. Dispozitivele care convertesc energia chimică a unui combustibil direct în electricitate, cum ar fi pilele de combustie, pot depăși randamentul Carnot.
Randamentul termic al ciclurilor motoarelor termice Ciclul Carnot este reversibil, ca urmare reprezintă limita superioară a randamentului unui ciclu termodinamic după care funcționează un motor. Ciclurile practice ale motoarelor sunt ireversibile, prin urmare au un randament inerent mai mic decât randamentul Carnot atunci când lucrează între aceleași temperaturi și . Unul dintre factorii care determină randamentul este modul în care căldura este furnizată în ciclu fluidului de lucru și cum este evacuată. Ciclul Carnot atinge randamentul maxim deoarece toată căldura este furnizată fluidului de lucru la temperatura maximă și evacuată la temperatura minimă . Însă într-un motor cu ardere internă temperatura la care începe arderea (introducerea căldurii) nu este temperatura maximă, deoarece aceasta este atinsă doar pe măsură ce arde tot combustibilul, deci temperatura medie la care se introduce căldura este mai mica decât cea maximă, reducând randamentul.
Un parametru important în expresia randamentului termic al motoarelor cu ardere internă este exponentul adiabatic al amestecului aer-combustibil, Aceasta variază în funcție de compozițiile amestecului carburant, respectiv a gazelor de ardere, dar este în general aproape de valoarea pentru aer, de 1,4. Această valoare standard este utilizată în ecuațiile ciclului motor de mai jos, iar când se face această aproximare, ciclul se numește „ciclu standard cu aer”.
Ciclul Otto. Este ciclul care aproximează uzual motoarele cu aprindere prin scânteie (motoarele pe benzină, GPL sau hidrogen). Randamentul său termic teoretic depinde de raportul de comprimare al motorului (în documentația în limba română se folosește simbolul Popa, MIT2, p. 150Vlădea, 1974, p. 187Grünwald, 1980, p. 21Burnete, Burnete, 2021, p. 182 dar pentru a evita confuzia cu eficiența, în articolul de față se va folosi simbolul ) și de exponentul adiabatic al gazului din camera de ardere.Holman, 1980, p. 558Vlădea, 1974, p. 187
Astfel, randamentul crește odată cu raportul de comprimare. Însă raportul de comprimare al motoarelor cu ciclu Otto este limitat de necesitatea de a preveni detonația. Motoarele moderne au rapoarte de comprimare de 8 până la 11, rezultând randamente ideale ale ciclului de 56–61 %.
Ciclul Diesel. Este ciclul care aproximează uzual motoarele cu aprindere prin comprimare lente (motoarele navale, funcționând cu combustibil mai greu ca motorina). Randamentul ciclului Diesel depinde de și similar cu ciclul Otto, precum și de raportul de destindere prealabilă,Burnete, Burnete, 2021, p. 187 care este raportul dintre volumul cilindrului la sfârșitul și la începutul procesului de ardere:Vlădea, 1974, pp. 188–189Burnete, Burnete, 2021, p. 193
Randamentul termic al ciclului Diesel este mai mic decât randamentul termic al ciclului Otto lucrând cu același raport de comprimare, însă motoarele Diesel au randamente termice cu 30–35 % mai mari ca motoarele pe benzină. Acest lucru se datorează faptului că, deoarece combustibilul nu este introdus în camera de ardere până în momentul aprinderii, raportul de comprimare nu este limitat de necesitatea de a evita detonația, ca urmare se pot folosi rapoarte de comprimare mai mari decât la motoarele cu aprindere prin scânteie.
Ciclul Clausius-Rankine. Este ciclul termocentralelor echipate cu turbine cu abur. Majoritatea energiei electrice din lume este produsă pe baza acestui ciclu. Deoarece în timpul ciclului fluidul de lucru al ciclului, apa, se vaporizează și apoi se condensează înapoi, randamentul lor depinde de proprietățile termodinamice ale apei. Randamentul termic al termocentralelor moderne cu cicluri cu supraîncălzirea aburului poate ajunge la 47 %, iar în instalațiile cu ciclu combinat, în care o turbină cu abur este alimentată de căldura evacuată de la o turbină cu gaze, randamentul se poate apropia de 60 %.
Ciclul Brayton, Este ciclul motoarelor cu reacție și al turbinelor cu gaze fără recuperator de căldură. Este alcătuit dintr-un compresor care crește presiunea aerului cu raportul de comprimare , apoi combustibilul este adăugat continuu și ars, iar gazele fierbinți se destind într-o turbină. Randamentul termic al ciclului este:
Pentru un raport de comprimare uzual randamentul teoretic este de 54 %.
Pierderi