Termikus hatásfok

A termikus hatásfok ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) egy dimenzió nélküli teljesítménymérője egy hőtermelő berendezésnek, például egy belsőégésű motornak, egy kazánnak vagy egy kemencének.

A készülék bemenete, Q i n {\displaystyle Q_in}\,} $Q_{in} \,$ , a hő, vagy az elfogyasztott tüzelőanyag hőtartalma. A kívánt kimenet a mechanikai munka, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , vagy a hő, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , vagy esetleg mindkettő. Mivel a bemenő hőnek általában valós pénzügyi költsége van, a termikus hatásfok emlékezetes, általános definíciója a következő

η t h ≡ Kimenet Bemenet . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

A termodinamika első és második törvénye alapján a kimenet nem haladhatja meg a bemenetet, tehát

0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} $0 \le \eta_{th} \le 1.0.$

Százalékban kifejezve a termikus hatásfoknak 0% és 100% között kell lenniük. A súrlódás, a hőveszteség és egyéb tényezők miatt a termikus hatásfok jellemzően jóval kisebb, mint 100%. Például egy tipikus benzinmotor körülbelül 25%-os termikus hatásfokkal működik, egy nagy széntüzelésű elektromos erőmű pedig 36%-os csúcsértékkel. A kombinált ciklusú erőművek hőhasznosítása megközelíti a 60%-ot.

Hőmotorok

A hőenergia mechanikai energiává történő átalakításakor a hőmotor termikus hatásfoka a munkává alakított energia százalékos aránya. A termikus hatásfok meghatározása

η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}}$ ,

vagy a termodinamika első törvénye alapján a termelt munka helyett a hulladékhő visszavezetésével,

η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} $\eta_{th} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

Ha például 1000 joule hőenergiát 300 joule mechanikai energiává alakítunk át (a maradék 700 joule pedig hulladékhő formájában elválik), a termikus hatásfok 30%.

Energiaátalakítás

Egy olyan energiaátalakító berendezés, mint egy kazán vagy kemence esetében a termikus hatásfok a következő

η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

Tehát egy olyan kazán esetében, amely 210 kW (vagy 700 000 BTU/h) teljesítményt állít elő minden 300 kW (vagy 1 000 000 BTU/h) hőegyenértékes bemeneti hőmennyiségre, a hőhasznosítása 210/300 = 0,70, azaz 70%. Ez azt jelenti, hogy az energia 30%-a elvész a környezetbe.

Az elektromos ellenállásfűtés hőhasznosítása 100%-os vagy ahhoz közeli, tehát például 1500W elektromos bemeneti teljesítményre 1500W hő keletkezik. Amikor fűtőegységeket hasonlítunk össze, például egy 100%-os hatásfokú elektromos ellenállásfűtést egy 80%-os hatásfokú földgázüzemű kemencével, az energiaárakat kell összehasonlítani, hogy megtaláljuk az alacsonyabb költséget.

Hőszivattyúk és hűtőszekrények

A hőszivattyúk, hűtőszekrények és légkondicionálók például inkább hőt mozgatnak, mint átalakítanak, ezért más mérőszámokra van szükség a hőteljesítményük leírásához. Az általános mérőszámok a teljesítmény-együttható (COP), az energiahatékonysági mutató (EER) és a szezonális energiahatékonysági mutató (SEER).

A hőszivattyú (HP) és a hűtőszekrények (R)* hatékonysága:
E H P = | Q H | | W | {\displaystyle E_{HP}={\frac {|Q_{H}|}{|W|}}}} $E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}$

E R = | Q L | | W | {\displaystyle E_{R}={\frac {|Q_{L}|}{|W|}}}} $E_{R}=\frac{|Q_L|}{|W|}$

E H P - E R = 1 {\displaystyle \displaystyle E_{HP}-E_{R}=1} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Ha a hőszivattyú vagy a hűtőszekrény mindkét végén a hőmérséklet állandó és a folyamatok megfordíthatók:

E H P = T H T H - T L {\displaystyle E_{HP}={\frac {T_{H}}{T_{H}-T_{L}}}} $E_{HP}=\frac{T_H}{T_H - T_L}$

E R = T L T H - T L {\displaystyle E_{R}={\frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}} $E_{R}=\frac{T_L}{T_H - T_L}$

*H=magas (hőmérséklet/hőforrás), L=alacsony (hőmérséklet/hőforrás)

Energiahatékonyság

A "termikus hatásfokot" néha energiahatékonyságnak is nevezik. Az Egyesült Államokban a mindennapi használatban a SEER az energiahatékonyság általánosabb mérőszáma a hűtőberendezések, valamint a hőszivattyúk esetében, amikor azok fűtési üzemmódban vannak. Az energiaátalakításos fűtőberendezések esetében gyakran feltüntetik az állandósult állapotú hőhatékonyságuk csúcsértékét, pl. "ez a kemence 90%-os hatásfokú", de a szezonális energiahatékonyság részletesebb mérőszáma az AFUE (Annual Fuel Utilization Efficiency).

Kapcsolódó oldalak

Termodinamika

Kérdések és válaszok

K: Mi az a termikus hatékonyság?

V: A termikus hatásfok egy dimenzió nélküli teljesítménymérője egy hőtechnikai eszköznek, például egy belsőégésű motornak, kazánnak vagy kemencének. Úgy számítják ki, hogy a kimenő teljesítményt elosztják a készülék bemenő teljesítményével.

K: Milyen példák vannak a hőtechnikai eszközökre?

V: A hőtechnikai eszközök közé tartoznak például a belső égésű motorok, kazánok és kemencék.

K: Mi a bemenete egy hőkészüléknek?

V: A hőtermelő berendezés bemenete a hő vagy az elfogyasztott tüzelőanyag hőtartalma.

K: Mi a hőtermelő berendezés kívánt teljesítménye?

V: A hőtermelő berendezés kívánt teljesítménye lehet mechanikai munka, hő vagy mindkettő.

K: Hogyan határozhatjuk meg általánosságban a termikus hatásfokot?

V: A termikus hatásfok általánosságban a következőképpen határozható meg: Kimenet/Bemenet.

K: Milyen tartományba esik az ηth értéke?

V: Az ηth értékének 0 és 1,0 között kell lennie, ha százalékban kifejezve 0% és 100% között kell lennie.

K: Az ηth tipikus értékei általában a 100% közelében vannak?

V: Nem, az olyan hatástalanságok miatt, mint a súrlódás és a hőveszteség, az ηth tipikus értékei sokkal kisebbek, mint 100%. Például a benzinmotorok jellemzően 25% körüli értéken működnek, míg a nagy széntüzelésű villamos erőművek 36% körüli értéken, a kombinált ciklusú erőművek pedig 60% körüli értéken.