Топлинна ефективност
Топлинният к.п.д. ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,}
) е безразмерен показател за ефективността на топлинно устройство, като например двигател с вътрешно горене, котел или пещ.
Входът, Q i n {\displaystyle Q_{in}\,}
, към устройството е топлина или топлинното съдържание на горивото, което се консумира. Желаният изход е механична работа, W o u t {\displaystyle W_{out}\,}
, или топлина, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,}
, или евентуално и двете. Тъй като вложената топлина обикновено има реална финансова цена, едно запомнящо се общо определение на топлинния к.п.д. е
η t h ≡ Изход Вход . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } 
От първия и втория закон на термодинамиката следва, че изходът не може да надвишава входящия, така че
0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} 
Когато се изразява в проценти, топлинната ефективност трябва да бъде между 0% и 100%. Поради неефективност като триене, топлинни загуби и други фактори топлинната ефективност обикновено е много по-малка от 100%. Например, типичният бензинов автомобилен двигател работи с около 25% топлинна ефективност, а голяма електроцентрала, работеща с въглища, достига максимална ефективност от около 36%. При централите с комбиниран цикъл топлинният коефициент на полезно действие се доближава до 60 %.
Топлинни двигатели
Когато топлинната енергия се превръща в механична, топлинният коефициент на полезно действие на топлинния двигател е процентът на енергията, която се превръща в работа. Топлинната ефективност се определя като
η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} 
,
или чрез първия закон на термодинамиката, за да се замени отхвърлянето на отпадна топлина с произведената работа,
η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Например, когато 1000 джаула топлинна енергия се трансформират в 300 джаула механична енергия (а останалите 700 джаула се разсейват като отпадна топлина), топлинният коефициент на полезно действие е 30%.
Преобразуване на енергията
За устройство за преобразуване на енергия като котел или пещ топлинният к.п.д. е
η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Така за котел, който произвежда 210 kW (или 700 000 BTU/h) мощност за всеки 300 kW (или 1 000 000 BTU/h) входяща топлинна енергия, топлинният му к.п.д. е 210/300 = 0,70, или 70%. Това означава, че 30% от енергията се губи в околната среда.
Електрическият съпротивителен нагревател има топлинна ефективност от 100 % или много близо до 100 %, така че например 1500 W топлина се произвеждат за 1500 W електрическа мощност. Когато се сравняват отоплителни единици, като например 100 % ефективен електрически съпротивителен нагревател с 80 % ефективна пещ на природен газ, трябва да се сравнят цените на енергията, за да се намери по-ниската цена.
Термопомпи и хладилници
Термопомпите, хладилниците и климатиците например пренасят топлина, а не я преобразуват, така че са необходими други мерки за описание на топлинните им характеристики. Най-често срещаните показатели са коефициент на ефективност (COP), коефициент на енергийна ефективност (EER) и коефициент на сезонна енергийна ефективност (SEER).
Ефективност на термопомпа (HP) и хладилник (R)*:
E H P = | Q H | | W | {\displaystyle E_{HP}={\frac {|Q_{H}|}{|W|}}}} 
E R = | Q L | | W | {\displaystyle E_{R}={\frac {|Q_{L}|}{|W|}}} 
E H P - E R = 1 {\displaystyle \displaystyle E_{HP}-E_{R}=1} 
Ако температурите в двата края на термопомпата или хладилника са постоянни и процесите в тях са обратими:
E H P = T H T H - T L {\displaystyle 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}}}} 
Енергийна ефективност
Понякога "топлинната ефективност" се нарича енергийна ефективност. В Съединените щати в ежедневната употреба SEER е по-често срещаната мярка за енергийна ефективност за устройства за охлаждане, както и за термопомпи, когато са в режим на отопление. За отоплителните устройства с преобразуване на енергията често се посочва тяхната максимална топлинна ефективност в стационарно състояние, например "тази пещ е 90% ефективна", но по-подробна мярка за сезонната енергийна ефективност е годишният коефициент на използване на горивото (AFUE).
Свързани страници
Въпроси и отговори
Въпрос: Какво представлява топлинната ефективност?
О: Топлинният к.п.д. е безразмерен показател за ефективността на топлинно устройство, като например двигател с вътрешно горене, котел или пещ. Тя се изчислява, като се раздели изходната мощност на входната мощност на устройството.
В: Какви са някои примери за топлинни устройства?
О: Примери за топлинни устройства са двигателите с вътрешно горене, котлите и пещите.
В: Какво представлява входът на топлинното устройство?
О: Входът на топлинното устройство е топлината или топлинното съдържание на горивото, което се консумира.
В: Какъв е желаният изход от топлинното устройство?
О: Желаният изход от топлинното устройство може да бъде механична работа, топлина или и двете.
В: Как можем да определим топлинната ефективност в общи линии?
О.: Топлинният к.п.д. може да се дефинира най-общо като "изходна мощност/входна мощност".
В: В какъв диапазон попада стойността на ηth?
О: Стойността на ηth трябва да бъде между 0 и 1,0, когато е изразена в проценти, тя трябва да бъде между 0 % и 100 %.
В: Обикновено ли типичните стойности за ηth са близки до 100 %?
О: Не, поради неефективност като триене и топлинни загуби типичните стойности за ηth са много по-малки от 100 %. Например бензиновите автомобилни двигатели обикновено работят с около 25 %, докато големите електроцентрали, работещи с въглища, достигат максимална стойност от около 36 %, а централите с комбиниран цикъл - до 60 %.
