Θερμική απόδοση
Ο θερμικός βαθμός απόδοσης ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,}
) είναι ένα μέτρο απόδοσης χωρίς διαστάσεις μιας θερμικής συσκευής, όπως είναι, για παράδειγμα, ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης, ένας λέβητας ή ένας κλίβανος.
Η είσοδος, Q i n {\displaystyle Q_{in}\,}
, στη συσκευή είναι η θερμότητα ή το θερμικό περιεχόμενο ενός καυσίμου που καταναλώνεται. Η επιθυμητή έξοδος είναι μηχανικό έργο, W o u t {\displaystyle W_{out}\,}
, ή θερμότητα, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,}
, ή ενδεχομένως και τα δύο. Επειδή η εισερχόμενη θερμότητα έχει συνήθως ένα πραγματικό οικονομικό κόστος, ένας αξιομνημόνευτος, γενικός ορισμός της θερμικής απόδοσης είναι
η t h ≡ Έξοδος Είσοδος . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Output}}{\text{Input}}}. } 
Από τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, η παραγωγή δεν μπορεί να υπερβαίνει την εισροή, οπότε
0 ≤ η t h ≤ 1,0. {\displaystyle 0\leq \eta _{th}\leq 1.0.} 
Όταν εκφράζεται ως ποσοστό, η θερμική απόδοση πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ 0% και 100%. Λόγω αναποτελεσματικότητας, όπως η τριβή, η απώλεια θερμότητας και άλλοι παράγοντες, η θερμική απόδοση είναι συνήθως πολύ μικρότερη από 100%. Για παράδειγμα, ένας τυπικός βενζινοκινητήρας αυτοκινήτου λειτουργεί με θερμική απόδοση περίπου 25% και μια μεγάλη μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με καύσιμο άνθρακα έχει μέγιστη απόδοση περίπου 36%. Σε μια μονάδα συνδυασμένου κύκλου η θερμική απόδοση προσεγγίζει το 60%.
Μηχανές θερμότητας
Κατά τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια, η θερμική απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι το ποσοστό της ενέργειας που μετατρέπεται σε έργο. Ο θερμικός βαθμός απόδοσης ορίζεται ως
η t h ≡ W o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {W_{out}}{Q_{in}}}} 
,
ή μέσω του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής για την αντικατάσταση του παραγόμενου έργου από την απόρριψη της απορριπτόμενης θερμότητας,
η t h = 1 - Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Για παράδειγμα, όταν 1000 τζάουλ θερμικής ενέργειας μετατρέπονται σε 300 τζάουλ μηχανικής ενέργειας (με τα υπόλοιπα 700 τζάουλ να διαχέονται ως απορριπτόμενη θερμότητα), ο θερμικός βαθμός απόδοσης είναι 30%.
Μετατροπή ενέργειας
Για μια συσκευή μετατροπής ενέργειας, όπως ένας λέβητας ή ένας κλίβανος, η θερμική απόδοση είναι
η t h ≡ Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {Q_{out}}{Q_{in}}}} 
.
Έτσι, για έναν λέβητα που παράγει 210 kW (ή 700.000 BTU/h) εξόδου για κάθε 300 kW (ή 1.000.000 BTU/h) θερμικής ισοδυναμίας εισόδου, ο θερμικός βαθμός απόδοσης είναι 210/300 = 0,70, ή 70%. Αυτό σημαίνει ότι το 30% της ενέργειας χάνεται στο περιβάλλον.
Ένας ηλεκτρικός θερμαντήρας αντίστασης έχει θερμική απόδοση 100% ή πολύ κοντά σε αυτήν, οπότε, για παράδειγμα, 1500W θερμότητας παράγονται για 1500W ηλεκτρικής εισόδου. Κατά τη σύγκριση μονάδων θέρμανσης, όπως μια ηλεκτρική θερμάστρα αντίστασης με απόδοση 100% με έναν φούρνο φυσικού αερίου με απόδοση 80%, πρέπει να συγκριθούν οι τιμές της ενέργειας για να βρεθεί το χαμηλότερο κόστος.
Αντλίες θερμότητας και ψυγεία
Οι αντλίες θερμότητας, τα ψυγεία και τα κλιματιστικά, για παράδειγμα, μεταφέρουν θερμότητα, αντί να τη μετατρέπουν, οπότε απαιτούνται άλλα μέτρα για να περιγραφεί η θερμική τους απόδοση. Τα συνήθη μέτρα είναι ο συντελεστής απόδοσης (COP), ο λόγος ενεργειακής απόδοσης (EER) και ο λόγος εποχιακής ενεργειακής απόδοσης (SEER).
Η απόδοση μιας αντλίας θερμότητας (HP) και ψυγείων (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} 
Εάν οι θερμοκρασίες και στα δύο άκρα της αντλίας θερμότητας ή του ψυγείου είναι σταθερές και οι διεργασίες τους αντιστρέψιμες:
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}}}} 
Ενεργειακή απόδοση
Η "θερμική απόδοση" ονομάζεται μερικές φορές ενεργειακή απόδοση. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, στην καθημερινή χρήση, το SEER είναι το πιο συνηθισμένο μέτρο της ενεργειακής απόδοσης για τις συσκευές ψύξης, καθώς και για τις αντλίες θερμότητας όταν βρίσκονται σε λειτουργία θέρμανσης. Για τις συσκευές θέρμανσης με ενεργειακή μετατροπή συχνά αναφέρεται η μέγιστη θερμική τους απόδοση σε σταθερή κατάσταση, π.χ. "αυτός ο φούρνος είναι αποδοτικός κατά 90%", αλλά ένα πιο λεπτομερές μέτρο της εποχιακής ενεργειακής αποτελεσματικότητας είναι η Ετήσια Απόδοση Χρήσης Καυσίμου (AFUE).
Σχετικές σελίδες
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι η θερμική απόδοση;
A: Η θερμική απόδοση είναι ένα μέτρο απόδοσης χωρίς διαστάσεις μιας θερμικής συσκευής, όπως ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης, ένας λέβητας ή ένας κλίβανος. Υπολογίζεται διαιρώντας την έξοδο με την είσοδο της συσκευής.
Ε: Ποια είναι μερικά παραδείγματα θερμικών συσκευών;
Α: Παραδείγματα θερμικών συσκευών είναι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι λέβητες και οι κλίβανοι.
Ερ: Ποια είναι η είσοδος σε μια θερμική συσκευή;
Α: Η είσοδος σε μια θερμική συσκευή είναι η θερμότητα ή το θερμικό περιεχόμενο ενός καυσίμου που καταναλώνεται.
Ερ: Ποια είναι η επιθυμητή έξοδος από μια θερμική συσκευή;
Α: Η επιθυμητή έξοδος από μια θερμική συσκευή μπορεί να είναι μηχανικό έργο, θερμότητα ή και τα δύο.
Ερ: Πώς μπορούμε να ορίσουμε τη θερμική απόδοση με γενικούς όρους;
Α: Ο θερμικός βαθμός απόδοσης μπορεί να οριστεί γενικά ως Έξοδος/Εισαγωγή.
Ερ: Σε ποιο εύρος κυμαίνεται η τιμή για την ηθ;
Α: Η τιμή για το ηth πρέπει να είναι μεταξύ 0 και 1,0, όταν εκφράζεται ως ποσοστό πρέπει να είναι μεταξύ 0% και 100%.
Ερ: Οι τυπικές τιμές για το ηth είναι συνήθως κοντά στο 100%;
Α: Όχι, λόγω αναποτελεσματικότητας, όπως η τριβή και οι απώλειες θερμότητας, οι τυπικές τιμές για το ηth είναι πολύ μικρότερες από το 100%. Για παράδειγμα, οι βενζινοκινητήρες των αυτοκινήτων λειτουργούν τυπικά σε ποσοστό γύρω στο 25%, ενώ οι μεγάλες μονάδες ηλεκτροπαραγωγής που λειτουργούν με καύσιμο άνθρακα έχουν μέγιστη τιμή περίπου 36%, ενώ οι μονάδες συνδυασμένου κύκλου προσεγγίζουν το 60%.
