Sprawność cieplna

Sprawność cieplna ( η t h {\i1}eta {\i1},} $\eta_{th} \,$ ) jest bezwymiarową miarą sprawności urządzenia cieplnego, takiego jak np. silnik spalinowy, kocioł lub piec.

Wejściem, Q i n {\i1} $Q_{in} \,$ , do urządzenia jest ciepło, lub zawartość ciepła paliwa, które jest zużyte. Pożądanym wyjściem jest praca mechaniczna, W o u t W_out, $W_{out} \,$ albo ciepło, Q o u t Q_out, $Q_{out} \,$ albo oba. Ponieważ ciepło wejściowe ma zwykle realny koszt finansowy, pamiętna, ogólna definicja sprawności cieplnej to

η t h ≡ Wejście wyjściowe . {y:i}.:: GrupaHatak.pl :: GrupaHatak.pl ::. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Od pierwszego i drugiego prawa termodynamiki, wyjście nie może przekraczać tego, co jest na wejściu, więc

0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\i1}Displastyle 0 {\i1}eta 1.0.{\i0} $0 \le \eta_{th} \le 1.0.$

Wyrażona procentowo sprawność cieplna musi wynosić od 0% do 100%. Ze względu na nieefektywność, taką jak tarcie, straty ciepła i inne czynniki, sprawność cieplna jest zazwyczaj znacznie niższa niż 100%. Na przykład, typowy silnik benzynowy pracuje z około 25% sprawnością cieplną, a duża elektrownia zasilana węglem osiąga szczytowe wartości około 36%. W instalacji o cyklu kombinowanym sprawność cieplna zbliża się do 60%.

Silniki cieplne

Podczas przekształcania energii cieplnej w energię mechaniczną, sprawność cieplna silnika cieplnego jest procentem energii, która jest przekształcana w pracę. Efektywność cieplna jest definiowana jako

η t h ≡ W o u t Q i n {\i1}displaystyle \i0}eta {\i1}equiv {\i0}frac {\i1}W_{\i1}{\i1}{\i1}w}}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}}$ ,

lub poprzez pierwsze prawo termodynamiki, aby zastąpić odrzucanie ciepła odpadowego dla wyprodukowanej pracy,

η t h = 1 - Q o u t Q i n {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}-{\i1}{\i1}{\i1}[w}}}}} $\eta_{th} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

Dla przykładu, gdy 1000 dżuli energii cieplnej jest przetwarzane na 300 dżuli energii mechanicznej (pozostałe 700 dżuli jest rozpraszane jako ciepło odpadowe), sprawność cieplna wynosi 30%.

Konwersja energii

W przypadku urządzenia do przetwarzania energii, takiego jak kocioł lub piec, sprawność cieplna wynosi

η t h ≡ Q o u t Q i n {\i1}displaystyle \i0}eta {\i1}equiv {\i1}frac {\i1}{\i1}Q_{\i1}in}}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

Tak więc, dla kotła, który produkuje 210 kW (lub 700 000 BTU/h) na każde 300 kW (lub 1 000 000 BTU/h) mocy równoważnika ciepła, jego sprawność cieplna wynosi 210/300 = 0,70, lub 70%. Oznacza to, że 30% energii jest tracone na rzecz środowiska.

Elektryczna grzałka oporowa ma sprawność cieplną równą lub bardzo bliską 100%, więc np. 1500W ciepła jest produkowane na 1500W mocy elektrycznej. Porównując jednostki grzewcze, takie jak 100% wydajny elektryczny grzejnik oporowy z 80% wydajnym piecem opalanym gazem ziemnym, należy porównać ceny energii, aby znaleźć niższe koszty.

Pompy ciepła i chłodziarki

Pompy ciepła, lodówki i klimatyzatory, na przykład, przenoszą ciepło, a nie przetwarzają go, dlatego potrzebne są inne środki, aby opisać ich wydajność cieplną. Wspólne środki to współczynnik efektywności (COP), wskaźnik efektywności energetycznej (EER) oraz sezonowy wskaźnik efektywności energetycznej (SEER).

Efektywność pompy ciepła (HP) i chłodziarek (R)*:
E H P = | Q H | | W | {\i1} {\i1} {\i1} {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1} $E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}$

E R = | Q L | | W | {\i1} {\i1} {\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1}{\i1} $E_{R}=\frac{|Q_L|}{|W|}$

E H P - E R = 1 {\i1}styk stylistyczny E_{HP}-E_{R}=1} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Jeśli temperatury na obu końcach pompy ciepła lub lodówki są stałe, a ich procesy są odwracalne:

E H P = T H T H - T L {\i1}== {\i1}frac {T_{H}}{T_{H}-T_{L}}}}} $E_{HP}=\frac{T_H}{T_H - T_L}$

E R = T L T H - T L {\i1}== {\i1}frac {T_{L}}{T_{H}-T_{L}}}}} $E_{R}=\frac{T_L}{T_H - T_L}$

*H=wysoki (temperatura/źródło ciepła), L=niski (temperatura/źródło ciepła)

Efektywność energetyczna

Efektywność cieplna" jest czasami nazywana efektywnością energetyczną. W Stanach Zjednoczonych, w codziennym użytkowaniu SEER jest bardziej powszechną miarą efektywności energetycznej dla urządzeń chłodzących, jak również dla pomp ciepła w trybie ogrzewania. W przypadku urządzeń grzewczych z konwersją energetyczną ich szczytowa sprawność cieplna w stanie ustalonym jest często określana, np. jako "ten piec jest efektywny w 90%", ale bardziej szczegółową miarą sezonowej sprawności energetycznej jest roczna sprawność wykorzystania paliwa (AFUE).

Powiązane strony

Termodynamika

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest sprawność cieplna?

O: Sprawność cieplna to bezwymiarowa miara wydajności urządzenia cieplnego, takiego jak silnik spalinowy, kocioł lub piec. Oblicza się ją, dzieląc moc wyjściową przez moc wejściową urządzenia.

P: Jakie są przykłady urządzeń termicznych?

O: Przykładami urządzeń termicznych są silniki spalinowe, kotły i piece.

P: Co to jest wejście do urządzenia cieplnego?

O: Wejściem do urządzenia cieplnego jest ciepło lub zawartość ciepła w paliwie, które jest zużywane.

P: Jaka jest pożądana moc urządzenia termicznego?

O: Pożądaną wydajnością urządzenia termicznego może być praca mechaniczna, ciepło lub obie te rzeczy.

P: Jak można ogólnie zdefiniować sprawność cieplną?

O: Sprawność cieplną można zdefiniować ogólnie jako Wydajność/Wejście.

P: W jakim zakresie mieści się wartość ηth?

O: Wartość dla ηth musi zawierać się w przedziale od 0 do 1,0, jeżeli jest wyrażona w procentach, musi zawierać się w przedziale od 0% do 100%.

P: Czy typowe wartości dla ηth są zazwyczaj bliskie 100%?

O: Nie, z powodu nieefektywności takich jak tarcie i straty ciepła typowe wartości dla ηth są znacznie mniejsze niż 100%. Na przykład benzynowe silniki samochodowe pracują zazwyczaj z wydajnością około 25%, podczas gdy duże elektrownie węglowe osiągają około 36%, a elektrownie pracujące w cyklu kombinowanym zbliżają się do 60%.