ऊष्मीय दक्षता: Difference between revisions
From Vigyanwiki
No edit summary |
No edit summary |
||
| Line 1: | Line 1: | ||
{{Short description|Performance measure of a device that uses thermal energy}} | {{Short description|Performance measure of a device that uses thermal energy}} | ||
{{Thermodynamics|cTopic=[[Thermodynamic system|Systems]]}} | {{Thermodynamics|cTopic=[[Thermodynamic system|Systems]]}} | ||
ऊष्मप्रवैगिकी में, तापीय दक्षता (<math>\eta_{\rm th}</math>) | ऊष्मप्रवैगिकी में, तापीय दक्षता (<math>\eta_{\rm th}</math>) उपकरण का आयाम रहित मात्रा प्रदर्शन माप है जो तापीय ऊर्जा का उपयोग करता है, जैसे कि आंतरिक दहन इंजन, भाप टर्बाइन, भाप इंजन, बॉयलर, भट्टी, रेफ्रिजरेटर, एयर कंडीशनिंग आदि। | ||
ऊष्मा इंजन के लिए, ऊष्मीय दक्षता ऊष्मा इनपुट के शुद्ध कार्य उत्पादन का अनुपात है; हीट पंप और रेफ्रिजरेशन चक्र | ऊष्मा इंजन के लिए, ऊष्मीय दक्षता ऊष्मा इनपुट के शुद्ध कार्य उत्पादन का अनुपात है; हीट पंप और रेफ्रिजरेशन चक्र की स्थिति में, थर्मल दक्षता (प्रदर्शन के गुणांक के रूप में जाना जाता है) ऊर्जा इनपुट (बाहरी काम) के लिए शुद्ध ऊष्मा उत्पादन (हीटिंग के लिए), या शुद्ध ऊष्मा (ठंडा करने के लिए) का अनुपात है। ऊष्मा इंजन की दक्षता भिन्नात्मक होती है क्योंकि आउटपुट सदैव इनपुट से अल्प होता है जबकि ऊष्मा पम्प का COP 1 से अधिक होता है। ये मान आगे कार्नोट के प्रमेय (ऊष्मागतिकी) द्वारा प्रतिबंधित किया गया है। | ||
== सिंहावलोकन == | == सिंहावलोकन == | ||
[[File:Efficiency diagram by Zureks.svg|thumb|left|आउटपुट (यांत्रिक) ऊर्जा सदैव इनपुट ऊर्जा से अल्प होती है]]सामान्यतः , ऊर्जा रूपांतरण दक्षता ऊर्जा रूपांतरण मशीन के उपयोगी आउटपुट और ऊर्जा के संदर्भ में इनपुट के मध्य का अनुपात है। थर्मल दक्षता के लिए, इनपुट, <math>Q_{\rm in}</math>, उपकरण के लिए ऊष्मा है, या खपत किए गए ईंधन की गर्मी-सामग्री है। वांछित आउटपुट यांत्रिक कार्य ( | [[File:Efficiency diagram by Zureks.svg|thumb|left|आउटपुट (यांत्रिक) ऊर्जा सदैव इनपुट ऊर्जा से अल्प होती है]]सामान्यतः , ऊर्जा रूपांतरण दक्षता ऊर्जा रूपांतरण मशीन के उपयोगी आउटपुट और ऊर्जा के संदर्भ में इनपुट के मध्य का अनुपात है। थर्मल दक्षता के लिए, इनपुट, <math>Q_{\rm in}</math>, उपकरण के लिए ऊष्मा है, या खपत किए गए ईंधन की गर्मी-सामग्री है। वांछित आउटपुट यांत्रिक कार्य (ऊष्मागतिकी) है, <math>W_{\rm out}</math>, या गर्मी, <math>Q_{\rm out}</math>, या संभवतः दोनों। क्योंकि इनपुट हीट की सामान्यतः वास्तविक वित्तीय लागत होती है, थर्मल दक्षता की यादगार, सामान्य परिभाषा है<ref>''Fundamentals of Engineering Thermodynamics'', by Howell and Buckius, McGraw-Hill, New York, 1987</ref> | ||
<math display="block">\eta_{\rm th} \equiv \frac{\text{benefit}}{\text{cost}}.</math> | <math display="block">\eta_{\rm th} \equiv \frac{\text{benefit}}{\text{cost}}.</math> | ||
| Line 18: | Line 18: | ||
== हीट इंजन == | == हीट इंजन == | ||
[[File:Carnot_heat_engine_2.svg|left|thumb]]ऊष्मा इंजन तापीय ऊर्जा, या ऊष्मा, Q को रूपांतरित करते हैं<sub>in</sub> यांत्रिक ऊर्जा, या कार्य ( | [[File:Carnot_heat_engine_2.svg|left|thumb]]ऊष्मा इंजन तापीय ऊर्जा, या ऊष्मा, Q को रूपांतरित करते हैं<sub>in</sub> यांत्रिक ऊर्जा, या कार्य (ऊष्मागतिकी) में, डब्ल्यू<sub>out</sub>. वे इस कार्य को पूरी तरह से नहीं कर सकते हैं, इसलिए कुछ इनपुट ऊष्मा ऊर्जा कार्य में परिवर्तित नहीं होती है, किन्तु अपशिष्ट ऊष्मा Q के रूप में नष्ट हो जाती है<sub>out</sub> हीट|< 0 परिवेश में: | ||
:<math>Q_{in} = |W_{\rm out}| + |Q_{\rm out}| </math> | :<math>Q_{in} = |W_{\rm out}| + |Q_{\rm out}| </math> | ||
ऊष्मा इंजन की ऊष्मीय दक्षता ऊष्मा ऊर्जा का प्रतिशत है जो कार्य ( | ऊष्मा इंजन की ऊष्मीय दक्षता ऊष्मा ऊर्जा का प्रतिशत है जो कार्य (ऊष्मागतिकी) में परिवर्तित हो जाती है। थर्मल दक्षता के रूप में परिभाषित किया गया है | ||
:<math>\eta_{\rm th} \equiv \frac{|W_{\rm out}|}{Q_{\rm in}} = \frac{ {Q_{\rm in}} - |Q_{\rm out}|} {Q_{\rm in}} = 1 - \frac{|Q_{\rm out}|}{Q_{\rm in}}</math> | :<math>\eta_{\rm th} \equiv \frac{|W_{\rm out}|}{Q_{\rm in}} = \frac{ {Q_{\rm in}} - |Q_{\rm out}|} {Q_{\rm in}} = 1 - \frac{|Q_{\rm out}|}{Q_{\rm in}}</math> | ||
| Line 28: | Line 28: | ||
=== कार्नाट दक्षता === | === कार्नाट दक्षता === | ||
{{Main|कार्नोट प्रमेय (ऊष्मागतिकी)}} | {{Main|कार्नोट प्रमेय (ऊष्मागतिकी)}} | ||
ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम सभी ताप इंजनों की तापीय दक्षता पर मौलिक सीमा रखता है। यहां तक कि आदर्श, घर्षण रहित इंजन भी अपनी इनपुट ऊष्मा के लगभग 100% को कार्य में परिवर्तित नहीं कर सकता है। सीमित कारक तापमान हैं जिस पर ऊष्मा इंजन में प्रवेश करती है, <math>T_{\rm H}\,</math>, और पर्यावरण का तापमान जिसमें इंजन अपनी अपशिष्ट ऊष्मा को समाप्त करता है, <math>T_{\rm C}\,</math>, निरपेक्ष पैमाने में मापा जाता है, जैसे केल्विन या रैंकिन स्केल स्केल। इन दो तापमानों के मध्य काम करने वाले किसी भी इंजन के लिए कार्नोट के प्रमेय ( | ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम सभी ताप इंजनों की तापीय दक्षता पर मौलिक सीमा रखता है। यहां तक कि आदर्श, घर्षण रहित इंजन भी अपनी इनपुट ऊष्मा के लगभग 100% को कार्य में परिवर्तित नहीं कर सकता है। सीमित कारक तापमान हैं जिस पर ऊष्मा इंजन में प्रवेश करती है, <math>T_{\rm H}\,</math>, और पर्यावरण का तापमान जिसमें इंजन अपनी अपशिष्ट ऊष्मा को समाप्त करता है, <math>T_{\rm C}\,</math>, निरपेक्ष पैमाने में मापा जाता है, जैसे केल्विन या रैंकिन स्केल स्केल। इन दो तापमानों के मध्य काम करने वाले किसी भी इंजन के लिए कार्नोट के प्रमेय (ऊष्मागतिकी) | कार्नोट के प्रमेय से:<ref name="Holman">{{cite book | ||
| last = Holman | | last = Holman | ||
| first = Jack P. | | first = Jack P. | ||
| Line 40: | Line 40: | ||
}}</ref> | }}</ref> | ||
:<math>\eta_{\rm th} \le 1 - \frac{T_{\rm C}}{T_{\rm H}} </math> | :<math>\eta_{\rm th} \le 1 - \frac{T_{\rm C}}{T_{\rm H}} </math> | ||
इस सीमित मूल्य को कार्नोट चक्र दक्षता कहा जाता है क्योंकि यह अप्राप्य, आदर्श, प्रतिवर्ती प्रक्रिया ( | इस सीमित मूल्य को कार्नोट चक्र दक्षता कहा जाता है क्योंकि यह अप्राप्य, आदर्श, प्रतिवर्ती प्रक्रिया (ऊष्मागतिकी) इंजन चक्र की दक्षता है जिसे कार्नोट चक्र कहा जाता है। ऊष्मा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने वाला कोई भी उपकरण, इसके निर्माण की परवाह किए बिना, इस दक्षता से अधिक नहीं हो सकता। | ||
इसके उदाहरण <math>T_{\rm H}\,</math> भाप बिजली संयंत्र के टर्बाइन में प्रवेश करने वाली गर्म भाप का तापमान, या वह तापमान जिस पर ईंधन आंतरिक दहन इंजन में जलता है। <math>T_{\rm C}</math> सामान्यतः परिवेश का तापमान होता है जहां इंजन स्थित होता है, या झील या नदी का तापमान जिसमें अपशिष्ट ऊष्मा का निर्वहन होता है। उदाहरण के लिए, यदि ऑटोमोबाइल इंजन के तापमान पर गैसोलीन जलता है <math>T_{\rm H} = 816^\circ \text{C} = 1500^\circ \text{F} = 1089 \text{K}</math> और परिवेश का तापमान है <math>T_{\rm C} = 21^\circ \text{C} = 70^\circ \text{F} = 294 \text{K}</math>, तो इसकी अधिकतम संभव दक्षता है: | इसके उदाहरण <math>T_{\rm H}\,</math> भाप बिजली संयंत्र के टर्बाइन में प्रवेश करने वाली गर्म भाप का तापमान, या वह तापमान जिस पर ईंधन आंतरिक दहन इंजन में जलता है। <math>T_{\rm C}</math> सामान्यतः परिवेश का तापमान होता है जहां इंजन स्थित होता है, या झील या नदी का तापमान जिसमें अपशिष्ट ऊष्मा का निर्वहन होता है। उदाहरण के लिए, यदि ऑटोमोबाइल इंजन के तापमान पर गैसोलीन जलता है <math>T_{\rm H} = 816^\circ \text{C} = 1500^\circ \text{F} = 1089 \text{K}</math> और परिवेश का तापमान है <math>T_{\rm C} = 21^\circ \text{C} = 70^\circ \text{F} = 294 \text{K}</math>, तो इसकी अधिकतम संभव दक्षता है: | ||
| Line 69: | Line 69: | ||
| isbn = 0080523366}}</ref> | | isbn = 0080523366}}</ref> | ||
=== इंजन चक्र दक्षता === | === इंजन चक्र दक्षता === | ||
कार्नाट चक्र प्रतिवर्ती प्रक्रिया ( | कार्नाट चक्र प्रतिवर्ती प्रक्रिया (ऊष्मागतिकी) है और इस प्रकार इंजन चक्र की दक्षता पर ऊपरी सीमा का प्रतिनिधित्व करता है। व्यावहारिक इंजन चक्र अपरिवर्तनीय हैं और इस प्रकार ही तापमान के मध्य संचालित होने पर कार्नाट दक्षता की तुलना में स्वाभाविक रूप से अल्प दक्षता होती है। <math>T_{\rm H}</math> और <math>T_{\rm C}</math>. दक्षता निर्धारित करने वाले कारकों में से यह है कि चक्र में काम कर रहे तरल पदार्थ में ऊष्मा कैसे जोड़ी जाती है और इसे कैसे हटाया जाता है। कार्नाट चक्र अधिकतम दक्षता प्राप्त करता है क्योंकि सभी ऊष्मा को अधिकतम तापमान पर कार्यशील द्रव में जोड़ा जाता है <math>T_{\rm H}</math>, और न्यूनतम तापमान पर हटा दिया गया <math>T_{\rm C}</math>. इसके विपरीत, आंतरिक दहन इंजन में, सिलेंडर में ईंधन-हवा के मिश्रण का तापमान अपने चरम तापमान के आसपास कहीं नहीं होता है क्योंकि ईंधन जलना शुरू हो जाता है, और केवल चरम तापमान तक पहुंचता है क्योंकि सभी ईंधन की खपत होती है, इसलिए औसत तापमान जिस पर ऊष्मा डाली जाती है वह अल्प होती है, जिससे दक्षता अल्प हो जाती है। | ||
दहन इंजन की दक्षता में महत्वपूर्ण पैरामीटर वायु-ईंधन मिश्रण, γ का विशिष्ट ताप अनुपात है। यह ईंधन के साथ कुछ भिन्न होता है, किन्तु सामान्यतः 1.4 के वायु मान के करीब होता है। यह मानक मान सामान्यतः नीचे दिए गए इंजन चक्र समीकरणों में उपयोग किया जाता है, और जब यह सन्निकटन किया जाता है तो चक्र को वायु-मानक चक्र कहा जाता है। | दहन इंजन की दक्षता में महत्वपूर्ण पैरामीटर वायु-ईंधन मिश्रण, γ का विशिष्ट ताप अनुपात है। यह ईंधन के साथ कुछ भिन्न होता है, किन्तु सामान्यतः 1.4 के वायु मान के करीब होता है। यह मानक मान सामान्यतः नीचे दिए गए इंजन चक्र समीकरणों में उपयोग किया जाता है, और जब यह सन्निकटन किया जाता है तो चक्र को वायु-मानक चक्र कहा जाता है। | ||
| Line 126: | Line 126: | ||
दक्षता के अतिरिक्त प्रदर्शन के गुणांक शब्द का उपयोग करने का कारण यह है कि चूंकि ये उपकरण ऊष्मा उत्पन्न कर रहे हैं, इसे नहीं बना रहे हैं, ऊष्मा की मात्रा इनपुट कार्य से अधिक हो सकती है, इसलिए सीओपी 1 (100) से अधिक हो सकता है %)। इसलिए, ऊष्मा पंप ऊष्मा में इनपुट काम को ऊष्मा में परिवर्तित करने की तुलना में हीटिंग का और अधिक कुशल तरीका हो सकता है, जैसे इलेक्ट्रिक हीटर या फर्नेस में। | दक्षता के अतिरिक्त प्रदर्शन के गुणांक शब्द का उपयोग करने का कारण यह है कि चूंकि ये उपकरण ऊष्मा उत्पन्न कर रहे हैं, इसे नहीं बना रहे हैं, ऊष्मा की मात्रा इनपुट कार्य से अधिक हो सकती है, इसलिए सीओपी 1 (100) से अधिक हो सकता है %)। इसलिए, ऊष्मा पंप ऊष्मा में इनपुट काम को ऊष्मा में परिवर्तित करने की तुलना में हीटिंग का और अधिक कुशल तरीका हो सकता है, जैसे इलेक्ट्रिक हीटर या फर्नेस में। | ||
चूँकि वे ऊष्मा इंजन हैं, ये उपकरण कार्नोट के प्रमेय ( | चूँकि वे ऊष्मा इंजन हैं, ये उपकरण कार्नोट के प्रमेय (ऊष्मागतिकी) | कार्नोट के प्रमेय द्वारा भी सीमित हैं। इन प्रक्रियाओं के लिए कार्नाट 'दक्षता' का सीमित मूल्य, समानता के साथ सैद्धांतिक रूप से केवल आदर्श 'प्रतिवर्ती' चक्र के साथ प्राप्त होता है: | ||
:<math>\mathrm{COP}_{\mathrm{heating}} \le \frac{T_{\rm H}}{T_{\rm H} - T_{\rm C}}=\mathrm{COP}_\mathrm{heating,Carnot}</math> | :<math>\mathrm{COP}_{\mathrm{heating}} \le \frac{T_{\rm H}}{T_{\rm H} - T_{\rm C}}=\mathrm{COP}_\mathrm{heating,Carnot}</math> | ||
