Termodynamická účinnost

Tepelná účinnost ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) je bezrozměrná míra výkonu tepelného zařízení, jako je například spalovací motor, kotel nebo pec.

Vstupem Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ do zařízení je teplo nebo tepelný obsah spotřebovaného paliva. Požadovaným výstupem je mechanická práce, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , nebo teplo, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , případně obojí. Vzhledem k tomu, že vstupní teplo má obvykle reálné finanční náklady, je zapamatovatelná obecná definice tepelné účinnosti následující

η t h ≡ Výstupní vstup . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Výstup}}{\text{Vstup}}}. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Z prvního a druhého termodynamického zákona vyplývá, že výstup nemůže být větší než vstup, takže

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

Při vyjádření v procentech musí být tepelná účinnost v rozmezí 0 % až 100 %. Vzhledem k neúčinnosti, jako je tření, tepelné ztráty a další faktory, je tepelná účinnost obvykle mnohem nižší než 100 %. Například typický benzínový automobilový motor pracuje s tepelnou účinností kolem 25 % a velká uhelná elektrárna dosahuje špičkové účinnosti kolem 36 %. V elektrárnách s kombinovaným cyklem se tepelná účinnost blíží 60 %.

Tepelné motory

Při přeměně tepelné energie na mechanickou energii je tepelná účinnost tepelného motoru procento energie, které se přemění na práci. Tepelná účinnost je definována jako

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

nebo pomocí prvního termodynamického zákona nahradit odvádění odpadního tepla za vykonanou práci,

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

Například při přeměně 1000 joulů tepelné energie na 300 joulů mechanické energie (přičemž zbývajících 700 joulů je odvedeno jako odpadní teplo) je tepelná účinnost 30 %.

Přeměna energie

U zařízení na přeměnu energie, jako je kotel nebo pec, je tepelná účinnost následující.

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

Takže pro kotel, který produkuje 210 kW (nebo 700 000 BTU/h) výkonu na každých 300 kW (nebo 1 000 000 BTU/h) tepelného ekvivalentu příkonu, je jeho tepelná účinnost 210/300 = 0,70, tj. 70 %. To znamená, že 30 % energie se ztratí do okolního prostředí.

Elektrický odporový ohřívač má tepelnou účinnost 100 % nebo velmi blízkou 100 %, takže například 1500 W tepla se vyrobí za 1500 W elektrického příkonu. Při porovnávání topných jednotek, například elektrického odporového ohřívače se 100% účinností s pecí na zemní plyn s 80% účinností, je třeba porovnat ceny energie, aby se zjistily nižší náklady.

Tepelná čerpadla a chladničky

Například tepelná čerpadla, chladničky a klimatizace teplo spíše přemísťují, než aby ho přeměňovaly, takže k popisu jejich tepelného výkonu jsou zapotřebí jiná měřítka. Běžnými měřítky jsou koeficient účinnosti (COP), koeficient energetické účinnosti (EER) a koeficient sezónní energetické účinnosti (SEER).

Účinnost tepelného čerpadla (HP) a chladničky (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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Pokud jsou teploty na obou koncích tepelného čerpadla nebo chladničky konstantní a jejich procesy vratné:

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=vysoká (teplota/zdroj tepla), L=nízká (teplota/zdroj tepla)

Energetická účinnost

Tepelná účinnost se někdy nazývá energetická účinnost. Ve Spojených státech se v každodenním používání používá SEER jako běžnější měřítko energetické účinnosti u chladicích zařízení a tepelných čerpadel v režimu vytápění. U topných zařízení s přeměnou energie se často uvádí jejich špičková tepelná účinnost v ustáleném stavu, např. "tato pec má účinnost 90 %", ale podrobnějším měřítkem sezónní energetické účinnosti je roční účinnost využití paliva (AFUE).

Související stránky

Termodynamika

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to tepelná účinnost?

A: Tepelná účinnost je bezrozměrná míra výkonu tepelného zařízení, jako je spalovací motor, kotel nebo pec. Vypočítá se vydělením výkonu příkonem zařízení.

Otázka: Jaké jsou příklady tepelných zařízení?

Odpověď: Mezi příklady tepelných zařízení patří spalovací motory, kotle a pece.

Otázka: Jaký je příkon tepelného zařízení?

Odpověď: Vstupem do tepelného zařízení je teplo nebo tepelný obsah paliva, které se spotřebovává.

Otázka: Jaký je požadovaný výstup tepelného zařízení?

O: Požadovaným výstupem tepelného zařízení může být mechanická práce, teplo nebo obojí.

Otázka: Jak můžeme obecně definovat tepelnou účinnost?

Odpověď: Tepelnou účinnost lze obecně definovat jako poměr výkonu a příkonu.

Otázka: V jakém rozmezí se nachází hodnota ηth?

Odpověď: Hodnota ηth musí být mezi 0 a 1,0, pokud je vyjádřena v procentech, musí být mezi 0 a 100 %.

Otázka: Jsou typické hodnoty pro ηth obvykle blízké 100 %?

Odpověď: Ne, kvůli neefektivitě, jako je tření a tepelné ztráty, jsou typické hodnoty pro ηth mnohem nižší než 100 %. Například benzínové automobilové motory obvykle pracují s hodnotou kolem 25 %, zatímco velké uhelné elektrárny dosahují maximálních hodnot kolem 36 %, přičemž elektrárny s kombinovaným cyklem se blíží 60 %.