Termisk effektivitet – definition, beregning og eksempler

Lær hvad termisk effektivitet er, hvordan den beregnes og praktiske eksempler — definitioner, formler og typiske værdier for motorer, kedler og kraftværker.

Den termiske effektivitet ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} ) er et dimensionsløst mål for ydeevnen af en termisk anordning som f.eks. en forbrændingsmotor, en kedel eller en ovn.

Indgangen, Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} , til anordningen er varme eller varmeindholdet i et brændstof, der forbruges. Det ønskede output er mekanisk arbejde, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} , eller varme, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} , eller eventuelt begge dele. Da den tilførte varme normalt har en reel økonomisk omkostning, er en mindeværdig, generisk definition af den termiske effektivitet

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

Ifølge termodynamikkens første og anden lov kan output ikke overstige input, så

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

Når den udtrykkes i procent, skal den termiske effektivitet være mellem 0 % og 100 %. På grund af ineffektivitet som f.eks. friktion, varmetab og andre faktorer er den termiske effektivitet typisk meget mindre end 100 %. F.eks. har en typisk benzinbilmotor en termisk effektivitet på ca. 25 %, og et stort kulfyret elværk har en maksimal termisk effektivitet på ca. 36 %. I et kombineret kraftvarmeværk er den termiske effektivitet tæt på 60 %.

Beregning — de mest almindelige formler

For et varmemaskineanlæg, hvor man tilfører varme Q_in og får mekanisk arbejde W_out, beregnes den termiske effektivitet ofte som:

η_th = W_out / Q_in

Hvis man måler også det udgående varmeflow Q_out, kan man anvende den alternative form:

η_th = 1 − Q_out / Q_in

Begge udtryk er ækvivalente for en ren varmemaskine, hvor energibalancen er Q_in = W_out + Q_out.

Enkle eksempler

• Eksempel 1 — simpel regning: Hvis en motor får Q_in = 1000 kJ varmeenergi fra brændstof og leverer W_out = 300 kJ mekanisk arbejde, er η_th = 300/1000 = 0,30 = 30 %.
• Eksempel 2 — varmeudgang kendt: Hvis samme motor har Q_out = 700 kJ varmetab, giver η_th = 1 − 700/1000 = 0,30 = 30 %.
• Praktiske værdier: Som nævnt er en typisk benzinmotor ≈ 25 %, dieselmotorer kan komme op omkring 35–45 % (særligt tunge og stationære motorer), store kulfyrede anlæg typisk ≈ 33–40 % (moderne anlæg højere), kombinerede gas/steam cykler (CCGT) kan nå ~60 % under optimale forhold, og indekse for varme- og kraftvarmeværker afhænger af hvordan både el og nyttig varme tælles med.

Begrænsninger og termodynamiske grænser

Den maksimalt teoretiske effektivitet for en varme-maskine mellem en varm kilde ved temperatur T_h og en kold kilde ved T_c er givet af Carnot-effektiviteten:

η_Carnot = 1 − T_c/T_h (temperaturer i absolutte enheder, K).

Realistisk kan man aldrig overstige Carnot-effektiviteten; praktiske tab (friktion, varmevekslingstab, irreversibiliteter) gør den opnåelige effektivitet lavere.

Faktorer der påvirker den termiske effektivitet

• Temperaturforskellen mellem varme- og kølekilder — større forskel giver højere muligt udbytte (Carnot-princippet).
• Tekniske tab: friktion, pumpe- og blæserarbejde, transmissionstab.
• Varmetab gennem skorsten, radiatorer og isolering.
• Forbrændingskvalitet: ufuldstændig forbrænding og tab i udstødning mindsker effektiviteten.
• Designvalg: anvendelse af genvinding (varmevekslere), forvarmere, turboteknologi, højtrykssystemer og avancerede materialer.
• Driftsforhold: delvist belastede forhold giver ofte lavere effektivitet end designpunktet.

Forbedringstiltag

For at øge den termiske effektivitet arbejder man typisk med:

• Øget driftstemperatur og tryk (med passende materialer og sikkerhed).
• Genbrug af spildvarme (f.eks. kombineret kraftvarme, varmevekslere, economisers).
• Reduceret interne tab (bedre smøring, mindre ventilationstab, optimeret forbrænding).
• Anvendelse af combined cycle- eller regenerativ teknologi (f.eks. gasturbine + dampturbine).
• Bedre isolering og løbende vedligehold for at minimere varmetab.

Måle- og referencespørgsmål

Ved opgørelse af effektivitet er det vigtigt at angive basis for energiindholdet i brændstoffet: anvendes nedre brændværdi (LHV) eller øvre brændværdi (HHV)? Forskellen kan give mærkbare afvigelser i angivet effektivitet. Endvidere bør man afklare, om man regner kun elektrisk output (W_out) eller begge nyttige produkter (f.eks. i kraftvarme: el + nyttig varme).

Desuden findes begrebet exergi‑effektivitet, som måler, hvor stor en del af indført energi der kunne omdannes til nyttigt arbejde set i forhold til den maksimalt teoretisk tilgængelige del — dette tager højde for kvalitetsforskelle i energiformerne og er et mere stringent mål ved sammenligning af forskellige processer.

Opsummering

Termisk effektivitet er et simpelt, men centralt mål for, hvor godt en termisk anordning omdanner tilført varmeenergi til ønsket output (arbejde og/eller nyttig varme). Den er altid mellem 0 og 1 (0–100 %), og praktiske værdier afhænger af teknisk udførelse, driftsforhold og termodynamiske begrænsninger. For at vurdere og sammenligne effektivitet er det vigtigt at være klar over målemetode, reference til brændværdi (LHV/HHV) og hvilke outputs der tælles med.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er termisk effektivitet?

Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på termiske anordninger?

Spørgsmål: Hvad er input til en termisk enhed?

Spørgsmål: Hvad er det ønskede output fra en termisk anordning?

Spørgsmål: Hvordan kan vi definere termisk effektivitet i generelle vendinger?

Spørgsmål: Hvilket interval ligger værdien for ηth mellem?

Spørgsmål: Er typiske værdier for ηth normalt tæt på 100 %?

Søg efter bogstav