Termal verimlilik

Termal verimlilik ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ), örneğin bir içten yanmalı motor, kazan veya fırın gibi bir termal cihazın boyutsuz bir performans ölçüsüdür.

Cihaza giriş, Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ , ısı veya tüketilen bir yakıtın ısı içeriğidir. İstenen çıktı mekanik iş, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ veya ısı, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ veya muhtemelen her ikisidir. Giriş ısısının normalde gerçek bir finansal maliyeti olduğundan, termal verimliliğin akılda kalıcı, genel bir tanımı şöyledir

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

Termodinamiğin birinci ve ikinci yasasına göre, çıktı girdiyi aşamaz, bu nedenle

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

Yüzde olarak ifade edildiğinde, termal verimlilik %0 ile %100 arasında olmalıdır. Sürtünme, ısı kaybı ve diğer faktörler gibi verimsizlikler nedeniyle, termal verimlilikler tipik olarak %100'den çok daha azdır. Örneğin, tipik bir benzinli otomobil motoru yaklaşık %25 termal verimlilikle çalışır ve büyük bir kömür yakıtlı elektrik üretim tesisi yaklaşık %36'da zirve yapar. Bir kombine çevrim tesisinde termal verimlilik %60'a yaklaşmaktadır.

Isı motorları

Termal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürürken, bir ısı motorunun termal verimliliği, işe dönüştürülen enerjinin yüzdesidir. Termal verimlilik şu şekilde tanımlanır

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

ya da termodinamiğin birinci yasasını kullanarak üretilen iş yerine atık ısı reddini ikame etmek,

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

Örneğin, 1000 joule termal enerji 300 joule mekanik enerjiye dönüştürüldüğünde (kalan 700 joule atık ısı olarak dağıtılır), termal verimlilik %30'dur.

Enerji dönüşümü

Kazan veya fırın gibi bir enerji dönüşüm cihazı için termal verimlilik

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

Dolayısıyla, her 300 kW (veya 1.000.000 BTU/h) ısı eşdeğeri giriş için 210 kW (veya 700.000 BTU/h) çıkış üreten bir kazan için termal verimlilik 210/300 = 0,70 veya %70'tir. Bu, enerjinin %30'unun çevreye kaybolduğu anlamına gelir.

Bir elektrikli rezistanslı ısıtıcının ısıl verimliliği %100 veya çok yakındır, bu nedenle örneğin 1500W elektrik girişi için 1500W ısı üretilir. Isıtma ünitelerini karşılaştırırken, örneğin %100 verimli bir elektrikli rezistanslı ısıtıcı ile %80 verimli bir doğal gaz yakıtlı fırını karşılaştırırken, daha düşük maliyeti bulmak için enerji fiyatları karşılaştırılmalıdır.

Isı pompaları ve Buzdolapları

Örneğin ısı pompaları, buzdolapları ve klimalar ısıyı dönüştürmek yerine hareket ettirir, bu nedenle termal performanslarını tanımlamak için başka ölçümlere ihtiyaç vardır. Yaygın ölçütler performans katsayısı (COP), enerji verimliliği oranı (EER) ve mevsimsel enerji verimliliği oranıdır (SEER).

Bir Isı pompasının (HP) ve Buzdolaplarının (R)* Verimliliği:
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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Isı Pompası veya Buzdolabının her iki ucundaki sıcaklıklar sabitse ve süreçleri tersine çevrilebilirse:

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=yüksek (sıcaklık/ısı kaynağı), L=düşük (sıcaklık/ısı kaynağı)

Enerji verimliliği

'Termal verimlilik' bazen enerji verimliliği olarak da adlandırılır. Amerika Birleşik Devletleri'nde günlük kullanımda SEER, soğutma cihazları ve ısıtma modundaki ısı pompaları için daha yaygın bir enerji verimliliği ölçüsüdür. Enerji dönüşümlü ısıtma cihazları için en yüksek kararlı durum termal verimlilikleri genellikle belirtilir, örneğin "bu fırın %90 verimlidir", ancak mevsimsel enerji etkinliğinin daha ayrıntılı bir ölçüsü Yıllık Yakıt Kullanım Verimliliğidir (AFUE).

İlgili sayfalar

Termodinamik

Sorular ve Yanıtlar

S: Termal verimlilik nedir?

C: Termal verimlilik, içten yanmalı motor, kazan veya fırın gibi bir termal cihazın boyutsuz bir performans ölçüsüdür. Çıktının cihazın girişine bölünmesi ile hesaplanır.

S: Bazı termal cihaz örnekleri nelerdir?

C: Termal cihazlara örnek olarak içten yanmalı motorlar, kazanlar ve fırınlar verilebilir.

S: Bir termal cihazın girdisi nedir?

C: Bir termal cihazın girdisi ısı veya tüketilen bir yakıtın ısı içeriğidir.

S: Bir termal cihazdan istenen çıktı nedir?

C: Bir termal cihazdan istenen çıktı mekanik iş, ısı veya her ikisi de olabilir.

S: Termal verimliliği genel anlamda nasıl tanımlayabiliriz?

C: Termal verimlilik genel olarak Çıktı/Girdi olarak tanımlanabilir.

S: ηth değeri hangi aralıkta yer alır?

C: ηth değeri 0 ile 1.0 arasında olmalıdır, yüzde olarak ifade edildiğinde ise %0 ile %100 arasında olmalıdır.

S: ηth için tipik değerler genellikle %100'e yakın mıdır?

C: Hayır, sürtünme ve ısı kaybı gibi verimsizlikler nedeniyle ηth için tipik değerler %100'den çok daha azdır. Örneğin, benzinli otomobil motorları tipik olarak %25 civarında çalışırken, büyük kömür yakıtlı elektrik üretim tesisleri yaklaşık %36'da zirve yapar ve kombine çevrim tesisleri %60'a yaklaşır.