Toplotni izkoristek

Toplotni izkoristek ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) je brezrazsežno merilo učinkovitosti toplotne naprave, kot so na primer motor z notranjim izgorevanjem, kotel ali peč.

Vhod Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ v napravo je toplota ali toplotna vsebnost goriva, ki se porabi. Želeni izhod je mehansko delo, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , ali toplota, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , ali morda oboje. Ker ima vhodna toplota običajno dejanske finančne stroške, je splošna in zapomnljiva opredelitev toplotnega izkoristka naslednja

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

Iz prvega in drugega zakona termodinamike izhaja, da izhodna vrednost ne sme presegati vhodne vrednosti, zato

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

Če je toplotni izkoristek izražen v odstotkih, mora biti med 0 % in 100 %. Zaradi neučinkovitosti, kot so trenje, toplotne izgube in drugi dejavniki, so toplotni izkoristki običajno veliko manjši od 100 %. Na primer, tipičen bencinski avtomobilski motor deluje s približno 25-odstotnim toplotnim izkoristkom, velika elektrarna na premog pa s približno 36-odstotnim. V obratih s kombiniranim ciklom se toplotni izkoristki približujejo 60 %.

Toplotni motorji

Pri pretvorbi toplotne energije v mehansko je toplotni izkoristek toplotnega motorja odstotek energije, ki se pretvori v delo. Toplotni izkoristek je opredeljen kot

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

ali pa s prvim zakonom termodinamike nadomestite odvajanje odpadne toplote s proizvedenim delom,

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

Če se na primer 1000 joulov toplotne energije pretvori v 300 joulov mehanske energije (preostalih 700 joulov se razprši kot odpadna toplota), je toplotni izkoristek 30 %.

Pretvorba energije

Za napravo za pretvorbo energije, kot sta kotel ali peč, je toplotni izkoristek naslednji

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

Tako je pri kotlu, ki proizvede 210 kW (ali 700.000 BTU/h) moči na vsakih 300 kW (ali 1.000.000 BTU/h) toplotnega ekvivalenta, njegov toplotni izkoristek 210/300 = 0,70 ali 70 %. To pomeni, da se 30 % energije izgubi v okolje.

Toplotni izkoristek električnega uporovnega grelnika je 100 % ali zelo blizu 100 %, tako da na primer 1500 W toplote nastane pri 1500 W električnega vnosa. Pri primerjavi ogrevalnih enot, na primer 100-odstotno učinkovitega električnega uporovnega grelnika in 80-odstotno učinkovite peči na zemeljski plin, je treba primerjati cene energije, da bi našli nižji strošek.

Toplotne črpalke in hladilniki

Toplotne črpalke, hladilniki in klimatske naprave, na primer, toploto prenašajo in ne pretvarjajo, zato so za opis njihove toplotne učinkovitosti potrebna druga merila. Običajne mere so koeficient učinkovitosti (COP), razmerje energetske učinkovitosti (EER) in razmerje sezonske energetske učinkovitosti (SEER).

Učinkovitost toplotne črpalke (HP) in hladilnika (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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Če so temperature na obeh koncih toplotne črpalke ali hladilnika konstantne in so njuni procesi reverzibilni:

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=visoka (temperatura/izvor toplote), L=nizka (temperatura/izvor toplote)

Energetska učinkovitost

"Toplotni izkoristek" se včasih imenuje energetski izkoristek. V Združenih državah Amerike je v vsakdanji uporabi SEER najpogostejše merilo energetske učinkovitosti za hladilne naprave in toplotne črpalke v načinu ogrevanja. Pri napravah za ogrevanje s pretvorbo energije se pogosto navaja njihova največja toplotna učinkovitost v ustaljenem stanju, npr. "ta peč je 90-odstotno učinkovita", podrobnejše merilo sezonske energetske učinkovitosti pa je letni izkoristek goriva (AFUE).

Sorodne strani

Termodinamika

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je toplotni izkoristek?

O: Toplotni izkoristek je brezrazsežno merilo učinkovitosti toplotne naprave, kot so motor z notranjim izgorevanjem, kotel ali peč. Izračunamo jo tako, da izhodno vrednost delimo z vhodno vrednostjo naprave.

V: Kateri so primeri toplotnih naprav?

O: Primeri toplotnih naprav so motorji z notranjim zgorevanjem, kotli in peči.

V: Kakšen je vhodni tok toplotne naprave?

O: Vhodna toplotna naprava je toplota ali toplotna vsebnost goriva, ki se porabi.

V: Kakšen je želeni izhod toplotne naprave?

O: Želeni izhod toplotne naprave je lahko mehansko delo, toplota ali oboje.

V: Kako lahko na splošno opredelimo toplotno učinkovitost?

O: Toplotni izkoristek lahko na splošno opredelimo kot razmerje med izhodom in vhodom.

V: V kakšnem razponu je vrednost ηth?

O: Vrednost ηth mora biti med 0 in 1,0, če je izražena v odstotkih, mora biti med 0 % in 100 %.

V: Ali so tipične vrednosti za ηth običajno blizu 100 %?

O: Ne, zaradi neučinkovitosti, kot sta trenje in toplotne izgube, so tipične vrednosti za ηth veliko manjše od 100 %. Na primer, bencinski avtomobilski motorji običajno delujejo pri približno 25 %, medtem ko velike elektrarne na premog dosegajo najvišjo vrednost pri približno 36 %, elektrarne s kombiniranim ciklom pa pri 60 %.