热效率

热效率（英文名：Thermal Efficiency），表示热转化为功的效率，即过程获得的功除以投入此过程的热量。燃气轮机的热效率为其净能量输出与按燃料的净比能（低热值）计算的燃料能量输入之比。

热效率是用来衡量燃料产生热能有多少转化为发动机输出功率的参数。热机循环有三个基本步骤：压缩、加热、膨胀做功。对大多数发动机循环来说，加热过程都是通过在空气中直接燃烧燃料来完成的。而在某些情况下，热能可通过热交换器引入空气流中。然而，这在飞行器推进系统中鲜少应用，因为这样会使发动机很重且结构很复杂。无论压缩、加热、膨胀做功采用哪种方式，其共同目标都是提高发动机热效率，这就需要燃烧室出口压力尽可能高。在燃料相同的情况下，出口压力越高、尾气温度越低，热效率就越高。热效率可分为指示热效率和有效热效率两种，指示热效率是指发动机实际循环的指示功与所消耗燃料的热量之比，有效热效率是指燃料中所含的热能转变为有效功的份额。

2024年4月，由中国自主研制的全球首款本体热效率53.09%的柴油机正式亮相。经过全球第三方权威认证机构认定，这款柴油机创造了当今世界内燃机领域最高的有效热效率。按照中国柴油机保有量测算，与平均45%~46%热效率水平相比，53%热效率柴油机经济性提升14%左右，每年可节约燃油3100万吨，减少碳排放9700万吨。

名称定义

热效率，表示热转化为功的效率，即过程获得的功除以投入此过程的热量。燃气轮机的净能量输出与按燃料的净比能（低热值）计算的燃料能量输入之比。

分类

以发动机为例，热效率分为指示热效率和有效热效率：

（1）指示热效率它是发动机实际循环的指示功与所消耗燃料的热量之比，即（3-19）；

式中：—— 得到指示功所消耗的热量，。

（2）有效热效率有效热效率是指燃料中所含的热能转变为有效功的份额。（3-20）；

式中：—— 机械效率。

有效热效率是表示燃油发出的热量转变为有效功的程度，也是评定发动机经济性的指标。

有效燃油消耗率也可用下式表示：（3-21）；

式中：—— 比例常数。

公式解析

公式

热效率是用来衡量燃料产生热能有多少转化为发动机输出功率的参数。同样，假设一股气流通过发动机并忽略燃料流量，热效率的表达式可被简化为式：

（12-3）；

这个表达式的分子部分还可表示为通过燃料释放化学能输入到发动机的热量与被排出而未被利用的热量的差值。如式（12-4）所示，其中C是空气的比热容（Van Wylen和Sonnntag，1978）：

（12-4）；

解析

从式（12-4）中可以看出，任何没有用来提供推力的能量都是被浪费的。式（12-3）和式（12-4）都可以表示热效率。

热循环都有三个基本步骤：压缩、加热、膨胀做功。对大多数发动机循环来说，加热过程都是通过在空气中直接燃烧燃料来完成的。而在某些情况下，热能可通过热交换器引入空气流中。然而，这在飞行器推进系统中鲜少应用，因为这样会使发动机很重且结构很复杂。

效率原理

压缩过程可通过很多方法来实现。早期发动机采用往复活塞式压气机，典型航空燃气轮机中则采用旋转压气机，而冲压喷气发动机（例如，Bomarc导弹发动机）在超音速飞行中，空气压缩过程是通过进口处系列激波完成的。在脉冲喷射发动机中（例如，德国V-1导弹“Buzz炸弹”），移动气动波使空气和燃料混合，并在燃烧过程中抑制其膨胀，所以通过这种方式可进行增压。这几种压缩方法也常常相互结合。例如，在燃气轮机中，气流在进口段时可通过减速来增压（超音速飞行中通过激波增压），随后再进入压气机中进行压缩。

膨胀过程常常包括提取涡轮或活塞部件中的机械功以及尾气加速喷出提供反推力等过程。涡轮中获得的能量将被用于推动螺旋桨或者风扇持续工作。对于涡轮风扇发动机和小型涡桨发动机来说，当提取了足够的机械功后，其压力仍然足够通过喷管提供高速气流来增进推力。对冲压喷气发动机和脉冲喷射发动机来说，没有机械功提取部件，推力都是通过尾喷管加速喷出尾气获得反推力的。

无论压缩、加热、膨胀做功采用哪种方式，其共同目标都是提高发动机热效率，这就需要燃烧室出口压力尽可能高。在燃料相同的情况下，出口压力越高、尾气温度越低，热效率就越高，这一点从式（12-4）中也可看出。举个例子，对于燃气轮机中的涡轮来说，压力降低与温度降低具有对应关系：

（12-5）；

这里对应尾气成分及温度给定、涡轮效率时，指数常数通常在4.8左右，这个大的常数值意味着，举例来说，为使通过膨胀出口温度降低10%，进口压力就需要增加66%。式（12-5）中，温度和压力要给总参数值或者滞止参数值（气流速度降为零时的值）。

效率提升

以高燃烧室出口压力为例。

第一种方法是尽可能提高压缩过程效率。进入压缩过程的功大部分转换为压力提升，小部分未被利用的功由摩擦和气动损失而转换为废热。因此提高压缩效率可有效增加出口压力。

第二种方法是提高压气机或活塞压缩部件的增压能力。对常规燃气轮机来说，这意味着要增加级数，对活塞发动机来说，则需要更高的冲程容积率，而对于其他压缩装置来说，则需要更高速度，从而产生更强的纵波或激波。

第三种方法是将以上两种或更多方法结合起来，如在压气机中布置一个气动增压燃烧室。以上这些方法都存在增加结构重量及复杂性的问题，而且，对确定类型的发动机来说，压力所能达到的最高值也有物理限制。例如，对给定尺寸的燃气轮机来说，压气机级数不能无限制增加。因为当级数过多时，压气机叶片很小，黏性损失增高将使压气机效率非常低，同时又要增加重量，这是非常不值得的。

在活塞发动机中，压缩和膨胀进程在同一装置中进行，用来提供有用功的压强不能得到全部利用。可以构建这样一种活塞发动机，使膨胀冲程长于压缩冲程，这种巧妙设计不仅改善了发动机进气效率，也使发动机膨胀比高于压缩比，从而有效地提高发动机效率。该工作原理被称为阿特金森循环（。然而，功率密度降低以及机械结构的复杂性限制了这种循环的应用。

对给定热力循环，其压缩量存在实际应用极限，即使是非常完美的压缩过程，也会相当程度地增加空气温度。如果压气机出口压强足够高，其高压级就可能需要冷却，这会大大增加重量和结构的复杂性。此外，当燃烧温度并非远高于当前发动机的温度时，限制的环境污染物会加速产生。最后，如果能开发出高于当前燃烧室温度的材料和结构，燃料也将裂解，燃料部分热值会丢失，尽管部分可在涡轮中重新复合但终究不是全部。

简单地说，各种飞行器性能评估用的整个推进系统的效率等于推进效率和热效率乘积，如下式所示。该式忽略了轴承、密封以及变速箱机械效率等，这些通常很接近100%。

运用实例

中国标准

以中国标准GB20665—2015、GB6932—2015的要求与试验方法为例：

要求

条款号：GB20665—2015中4.2、4.3、4.4。中国标准《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》（GB20665—2015）中对热水器热效率的要求如下。

1）能效等级热水器能效等级分为3级，其中1级能效最高。各等级的热效率值不应低于表6-6的规定。表6-6中，为热水器额定热负荷和部分热负荷（热水状态为50%的额定热负荷，采暖状态为30%的额定热负荷）下两个热效率值中的较大值，为较小值。当在同一等级界限范围内时判定该产品为相应的能效等级；如不在同一等级界限范围内，则判为较低的能效等级。

2）能效限定值热水器能效限定值为表6-6中能效等级的3级。3）节能评价值热水器节能评价值为表6-6中能效等级的2级。

试验方法

条款号：GB6932—2015中7.17。中国标准《家用燃气快速热水器》（GB6932—2015）中对热水器热效率试验方法的规定见表6-7。

欧盟标准

EN26:2015的要求与试验方法条，款号：7。欧盟标准《家用燃气快速热水器》（EN26:2015）中对热水器热效率的要求和试验方法如下。

一般要求

6.1的通用条件适用。

点火燃烧器的热负荷

1）要求常明火和点火燃烧器的热负荷不应超过0.17kW。

2）试验方法器具应连续供给其产品目录的基准气，并调节至相应的额定燃气压力。仅在点火燃烧器点燃并达到稳定状态时验证是否符合要求。

热效率

1）要求额定热输入的效率不得低于：

①对于额定热输入超过10kW的热水器，热效率至少要达到84%；

②对于额定热输入没有超过10kW的热水器，热效率至少要达到82%。如果正常试验条件下，B型热水器的热效率超过89%，安装说明书应说明目的国强制性的安装规定，以避免排烟管中水蒸气冷凝的风险。

2）试验方法效率\(\eta_u\)由下列公式计算得到：

（6-7）或者（6-8）；

式中：

m——试验过程中水的质量，单位为千克；

——水的比热，取值为；

——水的温升，单位为K；

——热水器在试验过程中使用的干燃气（第一、第二和第三族燃气）的体积，并修正至条件，单位为立方米；

——热水器在试验过程中使用的燃气质量（第三族燃气），单位为；

——干燃气的低热值，以体积为单位，单位为兆焦每立方米；以质量为单位，单位为兆焦每千克。在热水器的进水口之前和出水口之后立即测量温度，并采取一切措施确保测量设备不会产生任何热损失。

热效率的确定条件：热水器供给基准燃气，并根据6.1.6.6.2的a）进行调整；另外，试验过程中的进水温度范围应控制在。

中欧标准差异分析

中国标准和欧盟标准中，热水器热效率的试验方法基本相同，但中国标准中在热效率试验时，进水温度范围为（20±2）℃，而欧盟标准为（10±2）℃。

另外，中国的能效标准GB 20665—2015对热水器额定热负荷状态和50%额定热负荷状态下热效率的最低要求为86%和82%，而欧盟标准EN26:2015对热水器额定热负荷状态下的热效率最低要求为84%或82%，中国标准的要求高于欧盟标准。

相关事件

2024年4月，天津市举办的世界内燃机大会上了解到，中国燃机关键核心技术再次取得新突破，创造了新的柴油机热效率世界纪录。在本届世界内燃机大会上，由中国自主研制的全球首款本体热效率53.09%的柴油机正式亮相。经过全球第三方权威认证机构认定，这款柴油机创造了当今世界内燃机领域最高的有效热效率。

热效率是衡量内燃机燃油利用效率的重要指标，热效率越高，油耗就越少。按照中国柴油机保有量测算，与平均45%~46%热效率水平相比，53%热效率柴油机经济性提升14%左右，每年可节约燃油3100万吨，减少碳排放9700万吨。

参考资料

创造新纪录!突破关键核心技术难题 中国内燃机行业“站到”全球舞台中央.创造新纪录!突破关键核心技术难题 中国内燃机行业“站到”全球舞台中央.2025-11-14

热效率.术语在线.2025-11-09

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