Šiluminis naudingumo koeficientas (η_th): apibrėžimas, formulė ir pavyzdžiai

Sužinokite, kas yra šiluminis naudingumo koeficientas (η_th): apibrėžimas, formulė, skaičiavimo pavyzdžiai ir praktiniai duomenys apie variklius, katilus bei jėgaines.

Autorius: Leandro Alegsa

19-10-2025 12:05

Šiluminis naudingumo koeficientas (η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) apibūdina, kokią dalį į įrenginį tiekiamos šilumos paverčiama naudingąja išvestimi. Tai be matmenų dydis, dažnai išreiškiamas procentais, taikomas įvairiems šiluminiams įrenginiams, pvz. vidaus degimo varikliui, katilui arba krosniai.

Įrenginio įvestis yra šilumos kiekis arba suvartoto kuro energetinis kiekis (Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ ), o išvestis gali būti mechaninis darbas (W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ ), perduodama šiluma (Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ ) arba abi šios formos. Kadangi įeinanti šiluma dažnai turi finansinę vertę, naudingumo koeficiento bendroji apibrėžtis yra:

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 išvesties energija negali viršyti įvesties, 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 procentais reiškia 0 %–100 %. Dėl nuostolių (pvz., trinties, šilumos nuostolių, netobulos degimo pusiausvyros, išmetamųjų dujų energijos) praktinėje technikoje η_th dažnai yra daug mažesnis už 100 %. Tipiniai pavyzdžiai:

Įprastas benzininis automobilio variklis: maždaug 25 %.
Didelė anglimis kūrenama elektros jėgainė: apie 36 % (vieno ciklo, kondensacinė turbina).
Kombinuoto ciklo jėgainė (dujų ir garų ciklų kombinacija): iki ~60 % praktinėmis sąlygomis.

Matavimo ir skaičiavimo pavyzdžiai

Jei žinome tiekiamą šilumos kiekį Q_in ir naudingą išvestį (W_out arba Q_out), naudingumą apskaičiuojame paprastai:

Jei išvestis yra mechaninis darbas: η_th = W_out / Q_in.
Jei išvestis yra šiluma (pvz., krosnyje perduodama šiluma): η_th = Q_out / Q_in.

Pavyzdys (automobilio variklis): jei per degimo ciklą į variklį tiekiama 100 MJ kuro šilumos (Q_in) ir variklis atiduoda 25 MJ mechaninio darbo (W_out), tada η_th = 25 MJ / 100 MJ = 0,25 = 25 %.

Pavyzdys (jėgainė): deginant kurą tiekiama 1000 MJ, o elektrinė iš tinklo išveda 360 MJ elektros energijos → η_th = 360/1000 = 0,36 = 36 %.

Termodinaminiai limitai ir Carnot

Idealusis (reversibilus) ciklas turi teorinį viršutinį ribą, vadinamą Karno naudingumu (Carnot efficiency), kuris priklauso tik nuo karštojo ir šaltojo rezervuarų termodinaminės temperatūros (absolute temperature):

η_Carnot = 1 − T_c / T_h, kur T_c ir T_h matuojamos Kelvinais. Šis ribinis naudingumas rodo, kad didinant karštojo darbo terpės temperatūrą arba mažinant šaltojo rezervuaro temperatūrą, galima padidinti teorinį naudingumą. Tačiau realūs įrenginiai niekada nepasiekia Karno ribos dėl praktinių nuostolių.

Veiksniai, mažinantys naudingumą

Šilumos nuostoliai į aplinką per sieneles arba išmetamųjų dujų sistema.
Mechaninės trinties ir siurblių / kompresorių darbo sąnaudos.
Nepilnas degimas ar netobulos kuro sąlygos vidiniuose degimo varikliuose.
Termodinaminės ribos – ribotos temperatūros ir slėgio santykiai, medžiagų atsparumas aukštoms temperatūroms.
Nuostoliai elektros generatoriuje arba transmisijoje (jei vertinama elektros gamyba).

Kaip pagerinti šiluminį naudingumą

Kombinuoto ciklo konfigūracija (pvz., dujų turbina + garų turbina) — išnaudojama išmetamųjų dujų šiluma.
Padidinti darbo temperatūrą ir slėgį ten, kur tai įmanoma, naudojant pažangias medžiagas.
Šilumos atgavimo sistemų įdiegimas (šildytuvai, regeneracija, ekonomiškesni šilumokaičiai).
Geresnė izoliacija mažina nepageidaujamus šilumos nuostolius.
Technologijų atnaujinimas: aukštesnės efektyvumo siurbliai, turbinos, degikliai ir kt.

Kita naudinga informacija

Reikėtų atskirti šiluminį naudingumą (η_th) nuo koeficiento naudingumo šilumos siurbliuose ar šildymo sistemose (COP — coefficient of performance), kurio interpretacija skiriasi: COP gali būti didesnis už 1, nes jis reiškia kiek šilumos pernešama santykinai su įvestu elektriniu darbu, o ne santykį tarp išgaunamos energijos ir šilumos kuro energetinės vertės.

Santrauka: šiluminis naudingumo koeficientas η_th parodo, kokią dalį tiekiamos šilumos paverčiame naudingąja išvestimi. Jis ribojamas termodinamikos dėsniais, praktiškai priklauso nuo konstrukcinių sprendimų ir eksploatacinių nuostolių, o realių įrenginių reikšmės paprastai svyruoja nuo keliolikos iki keliasdešimt procentų, išskyrus kombinuoto ciklo sprendimus, kurių η_th gali būti gerokai didesnis.

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 %.

Ieškoti