Hyötysuhde

Lämpöhyötysuhde ( η t h \displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) on lämpölaitteen, kuten esimerkiksi polttomoottorin, kattilan tai uunin, dimensioton suorituskykymittari.

Laitteen syötteenä, Q i n {\displaystyle Q_in}\,} $Q_{in} \,$ , on lämpö tai kulutetun polttoaineen lämpösisältö. Haluttu tuotos on mekaaninen työ, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , tai lämpö, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , tai mahdollisesti molemmat. Koska syötetyllä lämmöllä on tavallisesti todelliset taloudelliset kustannukset, lämpöhyötysuhteen muistettava, yleinen määritelmä on seuraava

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

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.} $0 \le \eta_{th} \le 1.0.$

Prosentteina ilmaistuna lämpöhyötysuhteen on oltava 0-100 %. Tehottomuuksien, kuten kitkan, lämpöhäviöiden ja muiden tekijöiden vuoksi lämpöhyötysuhteet 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.

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}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}}$ ,

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}}}} $\eta_{th} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

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}}}} $\eta_{th} \equiv \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$ .

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|}}}} $E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}$

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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

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}}}} $E_{HP}=\frac{T_H}{T_H - T_L}$

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=korkea (lämpötila/lämmönlähde), L=matala (lämpötila/lämmönlähde).

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

Termodynamiikka

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.