Termisk effektivitet

Den termiske effektivitet ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} \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}\,}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}\,}W_{out} \, , eller varme, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,}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}}}}. } \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.} 0 \le \eta_{th} \le 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 %.

Varmemotorer

Når termisk energi omdannes til mekanisk energi, er varmemotorens termiske virkningsgrad den procentdel af energien, der omdannes til arbejde. Den termiske effektivitet er defineret som

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}},

eller ved hjælp af termodynamikkens første lov at erstatte det producerede arbejde med afgivelse af spildvarme,

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}}.

Når f.eks. 1000 joule varmeenergi omdannes til 300 joule mekanisk energi (med de resterende 700 joule som spildvarme), er den termiske effektivitet 30 %.

Energiomdannelse

For en energiomdannelsesenhed som en kedel eller en ovn er den termiske effektivitet

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}}.

Så for en kedel, der producerer 210 kW (eller 700.000 BTU/h) for hver 300 kW (eller 1.000.000 BTU/h) varmeækvivalent input, er dens termiske effektivitet 210/300 = 0,70 eller 70 %. Det betyder, at 30 % af energien går tabt til miljøet.

Et elektrisk modstandsvarmelegeme har en termisk effektivitet på 100 % eller meget tæt på 100 %, så der produceres f.eks. 1500 W varme for 1500 W elektrisk input. Når man sammenligner varmeenheder, f.eks. et 100 % effektivt elektrisk modstandsvarmeapparat med et 80 % effektivt naturgasfyr, skal energipriserne sammenlignes for at finde den billigste løsning.

Varmepumper og køleskabe

Varmepumper, køleskabe og klimaanlæg flytter f.eks. varme i stedet for at omdanne den, så der er behov for andre mål for at beskrive deres termiske ydeevne. De almindelige mål er præstationskoefficienten (COP), energieffektivitetsforholdet (EER) og sæsonbestemt energieffektivitetsforhold (SEER).

Effektiviteten af en varmepumpe (HP) og køleskabe (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

Hvis temperaturerne i begge ender af varmepumpen eller køleskabet er konstante, og hvis processerne er reversible:

E H P = T H T H T H - T L {\displaystyle E_{HP}={\frac {T_{H}}{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=høj (temperatur/varmekilde), L=lav (temperatur/varmekilde)

Energieffektivitet

Den "termiske effektivitet" kaldes undertiden for energieffektivitet. I USA er SEER i daglig brug den mest almindelige målestok for energieffektivitet for køleanlæg og for varmepumper i opvarmningstilstand. For varmeapparater med energiomdannelse angives ofte deres maksimale termiske effektivitet i stationær tilstand, f.eks. "denne ovn har en effektivitet på 90 %", men et mere detaljeret mål for sæsonbestemt energieffektivitet er den årlige brændselsudnyttelsesgrad (AFUE).

Relaterede sider

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er termisk effektivitet?


A: Termisk effektivitet er et dimensionsløst mål for ydeevnen af en termisk anordning som f.eks. en forbrændingsmotor, kedel eller ovn. Den beregnes ved at dividere output med apparatets input.

Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på termiske anordninger?


A: Eksempler på termiske anordninger omfatter forbrændingsmotorer, kedler og ovne.

Spørgsmål: Hvad er input til en termisk enhed?


A: Indgangen til en termisk anordning er varme eller varmeindholdet i et brændstof, der forbruges.

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


A: Det ønskede output fra en termisk anordning kan være mekanisk arbejde, varme eller begge dele.

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


A: Termisk effektivitet kan generelt defineres som output/indput.


Spørgsmål: Hvilket interval ligger værdien for ηth mellem?


A: Værdien for ηth skal ligge mellem 0 og 1,0, når den udtrykkes som en procentdel, skal den ligge mellem 0 % og 100 %.

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


A: Nej, på grund af ineffektivitet som f.eks. friktion og varmetab er typiske værdier for ηth meget mindre end 100 %. F.eks. kører benzinbilmotorer typisk ved ca. 25 %, mens store kulfyrede elproduktionsanlæg topper ved ca. 36 %, mens kombinerede anlæg nærmer sig 60 %.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3