Soojuslik kasutegur — määratlus, valem ja tüüpilised näited

Soojuslik kasutegur ( η t h \displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) on soojusseadme, näiteks sisepõlemismootori, katla või ahju mõõtmeta näitaja.

Seadme sisendiks Q i n {\displaystyle Q_in}\,} $Q_{in} \,$ on soojus ehk tarbitava kütuse soojussisaldus. Soovitud väljund on mehaaniline töö, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , või soojus, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , või võimalusel mõlemad. Kuna sisendküttel on tavaliselt reaalne rahaline kulu, on soojusliku kasuteguri meeldejääv üldine määratlus järgmine

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

Termodünaamika esimesest ja teisest seadusest lähtudes ei saa väljund ületada seda, mis on sisendiks, nii et

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

Protsendina väljendatuna peab soojuslik kasutegur olema vahemikus 0% kuni 100%. Ebatõhususe, näiteks hõõrdumise, soojuskadude ja muude tegurite tõttu on soojuslik kasutegur tavaliselt palju väiksem kui 100%. Näiteks tüüpiline bensiinimootor töötab umbes 25% soojuslikul kasuteguril ja suur kivisöekütusel töötav elektrijaam töötab maksimaalselt umbes 36%-l. Kombineeritud tsükliga elektrijaamade soojuslik kasutegur on ligikaudu 60%.

Valemid ja praktilised arvutused

Konkreetselt saab soojuslikku kasutegurit arvutada vastavalt seadme tüüpilisele väljundile:

Kui eesmärgiks on mehaaniline töö (näiteks mootor): η_th = W_out / Q_in, kus W_out on kasulik töö ja Q_in on sisendsoojus (kJ või J).
Kui eesmärgiks on soojuse edastamine (näiteks katel või ahi): η_th = Q_out / Q_in, kus Q_out on kütuse või protsessi poolt väljundina antav kasulik soojushulk.

Lihtne arvutusnäide: kui mootorile antakse 1000 kJ soojusenergiat ja sellest tekib 250 kJ mehaanilist tööd, siis η_th = 250 / 1000 = 0,25 ehk 25%.

Carnot' teoreetiline piir ja temperatuurid

Teine seadus annab maksimumteoreetilise efektiivsuse pöörises alati pöördseadme (või soojusmasina) jaoks, mida nimetatakse Carnot' kasuteguriks:

η_Carnot = 1 − T_c / T_h, kus T_h ja T_c on kõrge ja madala temperatuuriga reservuaaride absoluuttemperatuurid (Kelvinites).

See piir tähistab ideaalset pöörist ilma kõikide pöördumatuste ja kadudeta. Reaalsetes seadmetes on Carnot' väärtus alati kõrgem kui tegelik kasutegur, sest reaalsetes protsessides esinevad soojuskadud, irreversiivsus ja tehnilised piirangud. Näiteks kui T_h = 1000 K ja T_c = 300 K, siis η_Carnot = 1 − 300/1000 = 0,7 ehk 70% teoreetiline maksimum.

Tüüpilised väärtused ja võrreldavad näited

Bensiinimootorid (sõiduautod): ~20–35% sõltuvalt koormusest ja tehnoloogiast.
Diiselmootorid: sageli natuke suurem, ~30–45% tänu kõrgemale kompressioonile ja paremale osaaja juhtimisele.
Suured kivisöe- või gaasiturbiinil töötavad soojuselektrijaamad (ühe tsükliga): ~30–40%.
Kombineeritud tsükliga (CCGT) elektrijaamad: kuni ~60% tänu järelkuumutuse ja aurutsükli efektiivsele kasutusele.
Küttekolded ja katlad: sõltuvalt konstruktsioonist 70–95% (suurtes veekettsüsteemides ja hästi isoleeritud süsteemides võib jääda kõrgeks).

Mõisted, mida tähele panna

Tõhusus vs COP: Soojuspumbad ja jahutusseadmed ei pruugi olla mõistlikud väljendada klassikalise soojusliku kasuteguriga — nende efektiivsust mõõdetakse sageli koefitsiendiga COP (Coefficient of Performance), mis võib olla suurem kui 1, kuna see liigutab olemasolevat soojust, mitte ei muuda kogu sisendenergiat soojuseks.
Elektrienergia ja termiline energia: paljud süsteemid toodavad esmalt elektrit, mis on siis osa teisendustest ja kanda on mitu etappi — iga etapp vähendab koguefektiivsust.
Eksergia: soojushulga kvaliteet (käesoleva energia võime teha tööd) on oluline — sama kuumuse hulk ei ole alati võrdselt väärtuslik, sõltuvalt temperatuuritasemetest.

Kuidas suurendada soojuslikku kasutegurit

Kaasaegsed lahendused: kombinatsioon-tsüklid (gaasi ja auruturbine), järelkuumutid ja paremad kontuurid.
Kaod: vähendada soojuskadusid isolatsiooni, tihendite ja heade korstna/torustiku lahendustega.
Hooldus: regulaarne hooldus, õige kütuse-õhu suhe, õige põlemine ja filtrite vahetamine parandavad efektiivsust.
Energia taaskasutus: soojuse taaskasutusventiilid, soojusvahetid ja hälvete vähendamine protsessides.
Elektriseadmetel: paremad generaatorid ja vähem mehaanilist hõõrdumist.

Mõõtmine ja praktika

Soojusliku kasuteguri hindamisel tuleb hoolikalt mõõta nii sisendenergia (kütuse kalorisisaldus või sisendsoojus) kui ka väljund (kasulik töö või väljastatud soojushulk). Mõõtmisviga ja eeldused (nt soojuse jaotumine, varjategurid) võivad tulemusi märgatavalt mõjutada. Tootmises ja inseneripraktikas kasutatakse sageli korrigeeritud ja standardiseeritud katseprotseduure, et võrrelda seadmete kasutegureid võrreldavatel tingimustel.

Kokkuvõte

Soojuslik kasutegur on lihtne, kuid oluline näitaja, mis väljendab, milline osa sisendsoojusest muutub kasulikuks väljundiks. Tegelikkuses mõjutavad kasutegurit termodünaamilised piirangud (nt Carnot'i piir), tehnilised kaod ja seadme konstruktsioon. Parendused tulevad nii protsessi optimeerimisest kui ka soojuse taaskasutuse ja paremate tehnoloogiate rakendamisest.

Soojusmootorid

Soojusenergia muundamisel mehaaniliseks energiaks on soojusmootori soojuslik kasutegur tööks muundatud energia protsent. Termiline kasutegur on määratletud järgmiselt

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

või termodünaamika esimese seadusega, et asendada toodetud töö jäätmesoojuse ärajuhtimisega,

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

Näiteks kui 1000 džauli soojusenergiat muundatakse 300 džauli mehaaniliseks energiaks (ülejäänud 700 džauli hajub jäätmesoojuseks), on soojuslik kasutegur 30%.

Energia muundamine

Energiamuundamisseadme, näiteks katla või ahju puhul on soojuslik kasutegur järgmine

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

Seega, kui katel toodab 210 kW (või 700 000 BTU/h) toodangut iga 300 kW (või 1 000 000 BTU/h) soojusekvivalendi kohta, on selle soojuslik kasutegur 210/300 = 0,70 ehk 70%. See tähendab, et 30% energiast läheb keskkonda kaduma.

Elektrilise takistuskütteseadme soojuslik kasutegur on 100% või väga lähedal sellele, nii et näiteks 1500W elektrilise sisendi eest toodetakse 1500W soojust. Kui võrrelda kütteüksusi, näiteks 100% tõhusa elektrilise takistuskütteseadme ja 80% tõhusa maagaasil töötava ahju vahel, tuleb madalama hinna leidmiseks võrrelda energiahindu.

Soojuspumbad ja külmikud

Näiteks soojuspumbad, külmikud ja kliimaseadmed liigutavad soojust, mitte ei muuda seda, seega on nende soojusnäitajate kirjeldamiseks vaja muid meetmeid. Levinud mõõdikud on energiatõhususe koefitsient (COP), energiatõhususe suhtarv (EER) ja hooajaline energiatõhususe suhtarv (SEER).

Soojuspumba (HP) ja külmikute (R)* tõhusus:
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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Kui temperatuurid soojuspumba või külmiku mõlemas otsas on konstantsed ja nende protsessid pöörduvad:

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=kõrge (temperatuur/soojusallikas), L=madal (temperatuur/soojusallikas)

Energiatõhusus

Mõnikord nimetatakse "soojuslikuks kasuteguriks" energiatõhusust. Ameerika Ühendriikides on igapäevases kasutuses SEER tavalisem energiatõhususe näitaja nii jahutusseadmete kui ka soojuspumpade puhul, kui need on kütterežiimil. Energiamuunduriga kütteseadmete puhul märgitakse sageli nende maksimaalne püsiva seisundi soojustõhusus, nt "see ahi on 90% tõhus", kuid hooajalise energiatõhususe üksikasjalikum mõõt on aastane kütusekasutuse kasutegur (AFUE).

Seotud leheküljed

Termodünaamika

Küsimused ja vastused

K: Mis on termiline efektiivsus?

V: Soojuslik kasutegur on mõõtmeta soojusseadme, näiteks sisepõlemismootori, katla või ahju jõudluse mõõtühik. See arvutatakse, jagades toodangu seadme sisendiga.

K: Millised on mõned näited soojusseadmete kohta?

V: Soojusseadmete hulka kuuluvad näiteks sisepõlemismootorid, katlad ja ahjud.

K: Mis on soojusseadme sisend?

V: Soojusseadme sisendiks on soojus või tarbitava kütuse soojussisaldus.

K: Milline on soojusseadme soovitud väljund?

V: Soojusseadme soovitud väljundiks võib olla mehaaniline töö, soojus või mõlemad.

K: Kuidas saame üldises mõttes määratleda soojuslikust kasutegurist?

V: Üldiselt võib soojuslik kasutegur olla defineeritud kui väljund / sisend.

K: Millise vahemiku vahel jääb ηth väärtus?

V: ηth väärtus peab jääma vahemikku 0-1,0, kui seda väljendatakse protsentides, peab see olema vahemikus 0%-100%.

K: Kas ηth tüüpilised väärtused on tavaliselt 100% lähedal?

V: Ei, ebatõhususe, näiteks hõõrdumise ja soojuskadude tõttu on ηth tüüpilised väärtused palju väiksemad kui 100%. Näiteks bensiinimootorid töötavad tavaliselt umbes 25%-l, samas kui suured kivisöel töötavate elektrijaamade tippväärtus on umbes 36%, kusjuures kombineeritud tsükliga elektrijaamad lähenevad 60%-le.