Lämpöhyötysuhde – määritelmä, laskentakaavat ja käytännön esimerkit
Tutustu lämpöhyötysuhteeseen: selkeä määritelmä, käytännön laskentakaavat ja esimerkit autosta voimalaitokseen — opi parantamaan energiatehokkuutta.
Lämpöhyötysuhde ( η t h \displaystyle \eta _{th}\,}
) on lämpölaitteen, kuten esimerkiksi polttomoottorin, kattilan tai uunin, dimensioton suorituskykymittari. Se kertoo, kuinka suuri osa laitteen saannosta saatavasta lämpöenergiasta muutetaan halutuksi hyödyksi (työksi, hyödynnettäväksi lämmöksi tai sähköksi).
Laitteen syötteenä, Q i n {\displaystyle Q_in}\,} 
, on lämpö tai kulutetun polttoaineen lämpösisältö. Haluttu tuotos on mekaaninen työ, W o u t {\displaystyle W_{out}\,}
, tai lämpö, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,}
, tai mahdollisesti molemmat. Koska syötetyllä lämmöllä on tavallisesti todelliset taloudelliset kustannukset, lämpöhyötysuhteen yleinen määritelmä on seuraava:
η t h ≡ Lähtö Tulo . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } 
Termodynamiikan ensimmäisen ja toisen lain mukaan tuotos ei voi ylittää sitä, mitä syötetään, joten
0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} 
Prosentteina ilmaistuna lämpöhyötysuhteen on oltava 0–100 %. Tehottomuuksien, kuten kitkan, lämpöhäviöiden ja muiden tekijöiden vuoksi käytännön laitteiden hyötysuhteet ovat yleensä paljon alle 100 %. Esimerkiksi tyypillinen bensiiniautomoottori toimii noin 25 prosentin lämpöhyötysuhteella, ja suuri hiilipolttoaineella toimiva sähköntuotantovoimala toimii parhaimmillaan noin 36 prosentin lämpöhyötysuhteella. Yhdistetyn kierron voimalaitoksen lämpöhyötysuhde on lähes 60 prosenttia.
Laskentakaavat ja tulkinta
- Työtuotteen suhde: Jos haluttu tuotos on mekaaninen työ, käytetään muotoa ηth = Wout / Qin.
- Lämpötuotteen suhde: Jos haluttu tuotos on hyödynnettävä lämpö, käytetään ηth = Qout / Qin.
- Sähköntuotannossa: sähköntuotannon hyötysuhde ilmoitetaan usein ηel = Pel_out / Qfuel_in, missä Pel_out on tuotettu sähköteho ja Qfuel_in polttoaineen lämpöteho.
Yksinkertainen laskuesimerkki: jos laitteeseen syötetään 1000 kJ lämpöenergiaa (Qin) ja siitä saadaan 250 kJ hyödyllistä työtä (Wout), niin ηth = 250 / 1000 = 0,25 = 25 %.
Teoreettinen yläraja (Carnot-efekti)
Toisen lain perusteella ideaalisen lämpökoneen teoreettinen maksimihyötysuhde on Carnot-hyötysuhde, joka riippuu kuuman ja kylmän lämpötilan erotuksesta:
ηCarnot = 1 − (Tc / Th), missä Th ja Tc ovat lämpötilat Kelvin-asteina. Tämä on ideaalitapaus, eikä käytännön kone yleensä saavuta tätä arvoa johtuen irreversibiliteeteistä ja häviöistä.
Käytännön esimerkkejä ja tyypillisiä arvoja
- Bensiinimoottorit: noin 20–35 % (kaupunkiajossa ja osakuormalla usein alhaisempi).
- Dieselmoottorit: yleensä parempi kuin bensiinimoottorit, noin 30–45 % kuormituksesta riippuen.
- Suuret lauhdutusvoimalat (hiili, kaasu): noin 30–40 % yksittäisessä kaaviossa; moderneilla kaasuturbiini- ja höyryyhdistelmillä (yhdistetty kierros) jopa ~60 %.
- Kattilat ja lämmönsiirtojärjestelmät: hyötysuhde riippuu lämmönvaihtimien ja polttoprosessin tehokkuudesta; tyypillisesti 70–95 % riippuen polttoaineesta ja mittaustavasta.
Mittauskäytännöt ja huomioitavaa
- Lämmöllinen perusarvo: polttoaineiden lämmöllinen arvo voidaan ilmoittaa korkeimpana lämmönä (HHV, higher heating value) tai matalampana lämmönä (LHV, lower heating value). Valittu arvo vaikuttaa suoraan laskettuun hyötysuhteeseen, joten vertailussa on käytettävä samaa määritelmää.
- Järjestelmän raja: hyötysuhde voidaan laskea pelkästään moottorille, koko kattilalle tai koko voimalaitosketjulle. On tärkeää selvästi ilmoittaa, mitä osaa järjestelmästä mittaus koskee.
- Häviöt ja mittausvirheet: hukkaenergia (poistuvat pakokaasut, jäähdytys, säteily) ja mittausepävarmuudet vaikuttavat tulokseen.
Keinoja parantaa lämpöhyötysuhdetta
- Parantaa polttoaineen palamista ja polttoaineen syöttöä (esim. parempi seossäätö, korkeampi puristussuhde dieselmoottoreissa).
- Todennäköisten hukkaenergian hyödyntäminen, kuten lämpökattiloiden jälkilämmön talteenotto tai pakokaasujen lämmönvaihto.
- Käyttää yhdistettyä lämmön ja sähkön tuotantoa (CHP), jolloin polttoaineen energia saadaan hyödynnettyä laajemmin.
- Parantaa eristystä ja vähentää lämpöhäviöitä laitteen rakenteessa.
- Käyttää korkeampia prosessilämpötiloja tekniikan salliessa (muutoin agresiivisemmat materiaalivaatimukset).
Yhteenvetona: lämpöhyötysuhde on yksinkertainen ja käytännöllinen tapa mitata, kuinka tehokkaasti lämpöenergia muutetaan hyödyksi. Kun hyötysuhteita verrataan tai lasketaan, on tärkeää määritellä selkeästi käytetty energianlähde (HHV/LHV), mittausraja (komponentti vai koko järjestelmä) ja huomioida teoreettiset rajoitukset kuten Carnot-efekti.
Lämpövoimakoneet
Kun lämpöenergiaa muutetaan mekaaniseksi energiaksi, lämpövoimakoneen lämpöhyötysuhde on se prosenttiosuus energiasta, joka muutetaan työksi. Lämpöhyötysuhde määritellään seuraavasti
η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} 
,
tai termodynamiikan ensimmäisen lain avulla korvaamaan tuotettu työ hukkalämmön poistolla,
η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Kun esimerkiksi 1000 joulea lämpöenergiaa muunnetaan 300 joulea mekaaniseksi energiaksi (ja loput 700 joulea haihtuu hukkalämpönä), lämpöhyötysuhde on 30 %.
Energian muuntaminen
Kattilan tai uunin kaltaisen energiamuuntolaitteen lämpöhyötysuhde on seuraavanlainen
η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Jos kattila tuottaa 210 kW (tai 700 000 BTU/h) tehoa kutakin 300 kW (tai 1 000 000 BTU/h) lämpöekvivalenttia tuloa kohti, sen lämpöhyötysuhde on 210/300 = 0,70 eli 70 %. Tämä tarkoittaa, että 30 % energiasta häviää ympäristöön.
Sähköisen vastuslämmittimen lämpöhyötysuhde on vähintään 100 % tai hyvin lähellä sitä, joten esimerkiksi 1500 watin sähköteholla tuotetaan 1500 wattia lämpöä. Kun verrataan lämmitysyksiköitä, kuten 100 %:n hyötysuhteella toimivaa sähkövastuksen lämmitintä ja 80 %:n hyötysuhteella toimivaa maakaasukäyttöistä uunia, on verrattava energian hintaa halvemman hinnan löytämiseksi.
Lämpöpumput ja jääkaapit
Esimerkiksi lämpöpumput, jääkaapit ja ilmastointilaitteet siirtävät lämpöä sen sijaan, että ne muuttaisivat sitä, joten niiden lämpötehoa kuvaamaan tarvitaan muita mittareita. Yleisiä mittareita ovat tehokerroin (COP), energiatehokkuusluku (EER) ja kausittainen energiatehokkuusluku (SEER).
Lämpöpumpun (HP) ja jääkaappien (R)* tehokkuus:
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} 
Jos lämpötilat lämpöpumpun tai jääkaapin molemmissa päissä ovat vakioita ja niiden prosessit ovat palautuvia:
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}}}} 
Energiatehokkuus
Lämpöhyötysuhdetta kutsutaan joskus myös energiatehokkuudeksi. Yhdysvalloissa SEER on jokapäiväisessä käytössä yleisempi energiatehokkuuden mittari jäähdytyslaitteille ja lämpöpumpuille, kun ne ovat lämmitystilassa. Energiamuunnoslämmityslaitteille ilmoitetaan usein niiden huipputason lämpötehokkuus, esimerkiksi "tämä uuni on 90-prosenttisen tehokas", mutta yksityiskohtaisempi kausittaisen energiatehokkuuden mittari on vuotuinen polttoaineen hyötysuhde (AFUE, Annual Fuel Utilization Efficiency).
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on lämpötehokkuus?
V: Lämpöhyötysuhde on lämpölaitteen, kuten polttomoottorin, kattilan tai uunin, dimensioton suorituskyvyn mitta. Se lasketaan jakamalla laitteen tuotos sen syötöllä.
K: Mitkä ovat esimerkkejä lämpölaitteista?
V: Esimerkkejä lämpölaitteista ovat polttomoottorit, kattilat ja uunit.
K: Mikä on lämpölaitteen syöttö?
V: Lämpölaitteen syötteenä on lämpö tai kulutetun polttoaineen lämpösisältö.
K: Mikä on lämpölaitteen haluttu tuotos?
V: Lämpölaitteen haluttu tuotos voi olla mekaanista työtä, lämpöä tai molempia.
K: Miten lämpötehokkuus voidaan määritellä yleisesti?
V: Lämpöhyötysuhde voidaan yleisesti määritellä seuraavasti: Tuotos/panos.
K: Mille alueelle ηth:n arvo sijoittuu?
V: ηth:n arvon on oltava välillä 0-1,0, kun se ilmaistaan prosentteina, sen on oltava välillä 0-100 %.
K: Ovatko ηth:n tyypilliset arvot yleensä lähellä 100 %:a?
V: Ei, tehottomuuden, kuten kitkan ja lämpöhäviön, vuoksi ηth:n tyypilliset arvot ovat paljon alle 100 %. Esimerkiksi bensiiniautojen moottorit toimivat tyypillisesti noin 25 prosentin teholla, kun taas suurten hiilipolttoaineella toimivien sähköntuotantolaitosten huippuarvo on noin 36 prosenttia ja yhdistetyn kierron voimalaitosten lähes 60 prosenttia.
Etsiä