Šiluminis efektyvumas

Šiluminis naudingumo koeficientas ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) yra šiluminio įrenginio, pavyzdžiui, vidaus degimo variklio, katilo arba krosnies, be matmenų efektyvumo matas.

Įrenginio įvestis Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ yra šiluma arba sunaudojamo kuro šilumos kiekis. Norimas išėjimo rezultatas yra mechaninis darbas, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , arba šiluma, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , arba galbūt ir viena, ir kita. Kadangi įeinanti šiluma paprastai turi realią finansinę kainą, įsimintina bendroji šiluminio naudingumo apibrėžtis yra tokia

η t h ≡ Išvesties įvestis . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Išvestis}}{\text{Įvestis}}}. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Pagal pirmąjį ir antrąjį termodinamikos dėsnį išėjimas negali būti didesnis už įėjimą, todėl

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

Šiluminis naudingumo koeficientas, išreikštas procentais, turi būti nuo 0 % iki 100 %. Dėl neefektyvumo, pavyzdžiui, trinties, šilumos nuostolių ir kitų veiksnių, šiluminis naudingumo koeficientas paprastai būna daug mažesnis nei 100 %. Pavyzdžiui, tipiškas benzininis automobilio variklis veikia su maždaug 25 % šiluminio efektyvumo koeficientu, o didelė anglimis kūrenama elektros jėgainė - su maždaug 36 %. Kombinuoto ciklo jėgainėse šiluminis naudingumo koeficientas siekia apie 60 %.

Šiluminiai varikliai

Šiluminę energiją paverčiant mechanine, šiluminio variklio šiluminis naudingumo koeficientas yra energijos, kuri paverčiama darbu, procentinė dalis. Šiluminis naudingumo koeficientas apibrėžiamas taip

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

arba taikant pirmąjį termodinamikos dėsnį, kai atliekinė šiluma pakeičiama atliekamu darbu,

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

Pavyzdžiui, kai 1000 džaulių šiluminės energijos paverčiama 300 džaulių mechaninės energijos (likusieji 700 džaulių išsiskiria kaip atliekinė šiluma), šiluminis naudingumo koeficientas yra 30 %.

Energijos konversija

Energijos konversijos įrenginio, pavyzdžiui, katilo ar krosnies, šiluminis naudingumo koeficientas yra

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

Taigi, katilo, kuris pagamina 210 kW (arba 700 000 BTU/h) produkcijos kiekvienai 300 kW (arba 1 000 000 BTU/h) šilumos ekvivalento įvadei, šiluminis naudingumo koeficientas yra 210/300 = 0,70 arba 70 %. Tai reiškia, kad 30 % energijos prarandama į aplinką.

Elektrinio varžinio šildytuvo šiluminis naudingumo koeficientas yra 100 % arba labai artimas 100 %, todėl, pavyzdžiui, 1500 W šilumos pagaminama 1500 W elektros energijos. Lyginant šildymo įrenginius, pavyzdžiui, 100 % efektyvumo elektrinį varžinį šildytuvą su 80 % efektyvumo gamtinėmis dujomis kūrenama krosnimi, reikia palyginti energijos kainas, kad būtų galima rasti mažesnes sąnaudas.

Šilumos siurbliai ir šaldytuvai

Pavyzdžiui, šilumos siurbliai, šaldytuvai ir oro kondicionieriai šilumą ne konvertuoja, o perduoda, todėl jų šiluminiam našumui apibūdinti reikia kitų priemonių. Dažniausiai naudojami šie rodikliai: naudingumo koeficientas (COP), energijos vartojimo efektyvumo koeficientas (EER) ir sezoninis energijos vartojimo efektyvumo koeficientas (SEER).

Šilumos siurblio (ŠS) ir šaldytuvo (ŠS)* efektyvumas:
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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Jei temperatūra abiejuose šilumos siurblio ar šaldytuvo galuose yra pastovi, o procesai grįžtamieji:

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=aukšta (temperatūra/šilumos šaltinis), L=žema (temperatūra/šilumos šaltinis)

Energijos vartojimo efektyvumas

Šiluminis efektyvumas kartais vadinamas energiniu efektyvumu. Jungtinėse Amerikos Valstijose kasdienėje praktikoje SEER yra labiau paplitęs energijos vartojimo efektyvumo rodiklis vėsinimo įrenginiams, taip pat šilumos siurbliams, kai jie veikia šildymo režimu. Energiją konvertuojančių šildymo prietaisų atveju dažnai nurodomas jų didžiausias šiluminis efektyvumas nusistovėjusioje būsenoje, pavyzdžiui, "šios krosnelės efektyvumas yra 90 %", tačiau išsamesnis sezoninio energinio efektyvumo matas yra metinis kuro panaudojimo efektyvumas (AFUE).

Susiję puslapiai

Termodinamika

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra šiluminis efektyvumas?

A: Šiluminis naudingumo koeficientas yra šiluminio įrenginio, pavyzdžiui, vidaus degimo variklio, katilo ar krosnies, be matmenų efektyvumo matas. Jis apskaičiuojamas dalijant įrenginio išeigą iš įėjimo.

K: Kokie yra šiluminių prietaisų pavyzdžiai?

A: Šiluminių įrenginių pavyzdžiai yra vidaus degimo varikliai, katilai ir krosnys.

K: Kas yra šiluminio įrenginio įėjimas?

A: Šiluminio įrenginio sąnaudos yra šiluma arba sunaudojamo kuro šilumos kiekis.

K: Koks yra pageidaujamas šiluminio įrenginio išėjimas?

A: Šiluminio įrenginio pageidaujama išėjimo galia gali būti mechaninis darbas, šiluma arba ir viena, ir kita.

K: Kaip apibendrintai apibrėžti šiluminį naudingumo koeficientą?

A.: Šiluminį naudingumo koeficientą paprastai galima apibrėžti kaip išėjimo ir įėjimo santykis.

K: Kokiame intervale yra ηth reikšmė?

A: ηth vertė turi būti nuo 0 iki 1,0, o išreikšta procentais - nuo 0 iki 100 %.

K: Ar tipinės ηth vertės paprastai būna artimos 100 %?

Atsakymas: Ne, dėl neefektyvumo, pvz., trinties ir šilumos nuostolių, tipinės ηth vertės yra daug mažesnės nei 100 %. Pavyzdžiui, benzininiai automobilių varikliai paprastai veikia su maždaug 25 %, o didelės anglimis kūrenamos elektros jėgainės pasiekia maksimalią vertę apie 36 %, o kombinuoto ciklo jėgainės - 60 %.