Тепловая эффективность

Тепловая эффективность ( η t h {\displaystyle \eta _{th},} $\eta_{th} \,$ ) - это безразмерная мера производительности теплового устройства, такого как, например, двигатель внутреннего сгорания, котел или печь.

Вход Q i n {\displaystyle Q_{in},} $Q_{in} \,$ , к устройству - это тепло, или теплосодержание потребляемого топлива. Желаемая мощность - механическая работа, W o u t {\displaystyle W_{out},} $W_{out} \,$ , или тепло, Q o u t {\displaystyle Q_{out},} $Q_{out} \,$ , или, возможно, и то, и другое. Поскольку входное тепло обычно имеет реальные финансовые затраты, запоминающееся, общее определение тепловой эффективности - это

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

Из первого и второго закона термодинамики выход не может превышать того, что является входным, поэтому

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

В процентном выражении тепловая эффективность должна быть в пределах от 0% до 100%. Из-за неэффективности, такой как трение, тепловые потери и другие факторы, тепловая эффективность, как правило, намного меньше 100%. Например, типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД около 25%, а большая электростанция, работающая на угле, достигает пика в 36%. В парогазовой установке тепловой КПД приближается к 60%.

Тепловые двигатели

При преобразовании тепловой энергии в механическую, тепловой КПД теплового двигателя - это процент энергии, который преобразуется в работу. Тепловая эффективность определяется как

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

или по первому закону термодинамики заменить отбраковку отработанного тепла на произведенные работы,

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

Например, при преобразовании 1000 джоулей тепловой энергии в 300 джоулей механической энергии (при этом оставшиеся 700 джоулей рассеиваются в виде отработанного тепла) тепловой КПД составляет 30%.

преобразование энергии

Для устройства преобразования энергии, такого как котел или печь, тепловой коэффициент полезного действия составляет

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

Так, для котла мощностью 210 кВт (или 700 000 БТЕ/ч) на каждые 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ/ч) теплоэквивалентного ввода, его тепловой КПД составляет 210/300 = 0,70, или 70%. Это означает, что 30% энергии теряется в окружающей среде.

Электрический резистивный нагреватель имеет тепловой коэффициент полезного действия на уровне или очень близком к 100%, поэтому, например, на 1500 Вт электрического входа производится 1500 Вт тепла. При сравнении нагревательных приборов, таких как 100% эффективный электрический резистивный нагреватель, с 80% эффективной печью, работающей на природном газе, необходимо сравнить цены на энергию, чтобы найти более низкую стоимость.

Тепловые насосы и холодильники

Тепловые насосы, холодильники и кондиционеры, например, перемещают тепло, а не преобразовывают его, поэтому для описания их тепловых характеристик необходимы другие меры. Общими мерами являются коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент энергоэффективности (КЭЭ) и сезонный коэффициент энергоэффективности (СЭЭР).

Эффективность теплового насоса (HP) и холодильников (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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Если температура на обоих концах Теплового насоса или холодильника постоянна и их процессы обратимы:

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=высота (температура/источник тепла), L=низкая (температура/источник тепла).

энергоэффективность

Иногда "тепловую эффективность" называют энергоэффективностью. В США в повседневном использовании SEER является более распространенным показателем энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов, когда они находятся в режиме обогрева. Для энергопреобразующих отопительных приборов их пиковая стационарная тепловая эффективность часто указывается, например, "эта печь эффективна на 90%", но более подробной мерой сезонной энергоэффективности является годовая эффективность использования топлива (ГКУЭТ).

Связанные страницы

Термодинамика

Вопросы и ответы

В: Что такое термический КПД?

О: Тепловой КПД - это безразмерная мера производительности теплового устройства, такого как двигатель внутреннего сгорания, котел или печь. Он рассчитывается путем деления выходной мощности на входную мощность устройства.

В: Каковы некоторые примеры тепловых устройств?

О: Примерами тепловых устройств являются двигатели внутреннего сгорания, котлы и печи.

В: Что является входом в тепловое устройство?

О: Входом в тепловое устройство является тепло или теплосодержание потребляемого топлива.

В: Какова желаемая мощность теплового устройства?

О: Желаемым выходом теплового устройства может быть механическая работа, тепло или и то, и другое.

В: Как можно определить термический КПД в общих чертах?

О: Тепловой КПД можно определить в общем виде как Выход/Вход.

В: В какой диапазон попадает значение ηth?

О: Значение ηth должно быть между 0 и 1.0, если выразить его в процентах, то оно должно быть между 0% и 100%.

В: Типичные значения для ηth обычно близки к 100%?

О: Нет, из-за таких неэффективных факторов, как трение и потери тепла, типичные значения ηth намного меньше 100%. Например, бензиновые автомобильные двигатели обычно работают на уровне около 25%, в то время как крупные электростанции, работающие на угольном топливе, достигают пиковых значений около 36%, а станции комбинированного цикла приближаются к 60%.