Tepelná účinnosť

Tepelná účinnosť ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) je bezrozmerná miera výkonu tepelného zariadenia, ako je napríklad spaľovací motor, kotol alebo pec.

Vstupom Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ do zariadenia je teplo alebo tepelný obsah spotrebovaného paliva. Požadovaným výstupom je mechanická práca, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , alebo teplo, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , prípadne oboje. Keďže vstupné teplo má zvyčajne reálne finančné náklady, pamätná všeobecná definícia tepelnej účinnosti je

η t h ≡ Výstupný vstup . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Výstup}}{\text{Vstup}}}. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Z prvého a druhého termodynamického zákona vyplýva, že výstup nemôže byť väčší ako vstup, takže

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

Pri vyjadrení v percentách musí byť tepelná účinnosť v rozmedzí od 0 % do 100 %. V dôsledku neúčinnosti, ako je trenie, tepelné straty a iné faktory, je tepelná účinnosť zvyčajne oveľa nižšia ako 100 %. Napríklad typický benzínový automobilový motor pracuje s tepelnou účinnosťou približne 25 % a veľká elektráreň na uhlie dosahuje maximálnu tepelnú účinnosť približne 36 %. V elektrárni s kombinovaným cyklom sa tepelná účinnosť blíži k 60 %.

Tepelné motory

Pri premene tepelnej energie na mechanickú energiu je tepelná účinnosť tepelného motora percento energie, ktoré sa premení na prácu. Tepelná účinnosť je definovaná ako

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

alebo prostredníctvom prvého termodynamického zákona nahradiť odmietnuté odpadové teplo vyrobenou prácou,

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

Napríklad, ak sa 1000 joulov tepelnej energie premení na 300 joulov mechanickej energie (pričom zvyšných 700 joulov sa rozptýli ako odpadové teplo), tepelná účinnosť je 30 %.

Premena energie

Pri zariadení na premenu energie, ako je kotol alebo pec, je tepelná účinnosť

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

Takže v prípade kotla, ktorý produkuje 210 kW (alebo 700 000 BTU/h) výkonu na každých 300 kW (alebo 1 000 000 BTU/h) tepelného ekvivalentu na vstupe, je jeho tepelná účinnosť 210/300 = 0,70 alebo 70 %. To znamená, že 30 % energie sa stráca do prostredia.

Elektrický odporový ohrievač má tepelnú účinnosť 100 % alebo veľmi blízku 100 %, takže napríklad 1500 W tepla sa vyrobí na 1500 W elektrického príkonu. Pri porovnávaní vykurovacích jednotiek, napríklad elektrického odporového ohrievača so 100 % účinnosťou s pecou na zemný plyn s 80 % účinnosťou, sa musia porovnať ceny energie, aby sa našli nižšie náklady.

Tepelné čerpadlá a chladničky

Napríklad tepelné čerpadlá, chladničky a klimatizačné zariadenia teplo skôr premiestňujú, ako premieňajú, takže na opis ich tepelného výkonu sú potrebné iné opatrenia. Bežné miery sú koeficient účinnosti (COP), pomer energetickej účinnosti (EER) a pomer sezónnej energetickej účinnosti (SEER).

Účinnosť tepelného čerpadla (HP) a chladničky (R)*:
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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Ak sú teploty na oboch koncoch tepelného čerpadla alebo chladničky konštantné a ich procesy reverzibilné:

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=vysoká (teplota/zdroj tepla), L=nízka (teplota/zdroj tepla)

Energetická účinnosť

Tepelná účinnosť sa niekedy nazýva energetická účinnosť. V Spojených štátoch sa v každodennom používaní SEER používa ako bežná miera energetickej účinnosti pre chladiace zariadenia, ako aj pre tepelné čerpadlá v režime vykurovania. Pri vykurovacích zariadeniach s premenou energie sa často uvádza ich špičková tepelná účinnosť v ustálenom stave, napr. "táto pec má účinnosť 90 %", ale podrobnejším meradlom sezónnej energetickej účinnosti je ročná účinnosť využitia paliva (AFUE).

Súvisiace stránky

Termodynamika

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to tepelná účinnosť?

Odpoveď: Tepelná účinnosť je bezrozmerná miera výkonu tepelného zariadenia, ako je spaľovací motor, kotol alebo pec. Vypočíta sa vydelením výkonu vstupom zariadenia.

Otázka: Aké sú príklady tepelných zariadení?

Odpoveď: Medzi príklady tepelných zariadení patria spaľovacie motory, kotly a pece.

Otázka: Čo je príkon tepelného zariadenia?

Odpoveď: Vstupom do tepelného zariadenia je teplo alebo tepelný obsah paliva, ktoré sa spotrebúva.

Otázka: Aký je požadovaný výstup tepelného zariadenia?

Odpoveď: Požadovaným výstupom z tepelného zariadenia môže byť mechanická práca, teplo alebo oboje.

Otázka: Ako môžeme všeobecne definovať tepelnú účinnosť?

Odpoveď: Tepelnú účinnosť možno všeobecne definovať ako výkon/príkon.

Otázka: V akom rozsahu sa nachádza hodnota ηth?

Odpoveď: Hodnota ηth musí byť medzi 0 a 1,0, ak je vyjadrená v percentách, musí byť medzi 0 % a 100 %.

Otázka: Sú typické hodnoty pre ηth zvyčajne blízke 100 %?

Odpoveď: Nie, v dôsledku neefektívnosti, ako je trenie a tepelné straty, sú typické hodnoty pre ηth oveľa nižšie ako 100 %. Napríklad benzínové automobilové motory zvyčajne pracujú s hodnotou približne 25 %, zatiaľ čo veľké elektrárne na uhlie dosahujú maximálnu hodnotu približne 36 %, pričom elektrárne s kombinovaným cyklom sa blížia k 60 %.