Termiskā efektivitāte — definīcija, formula un piemēri

Uzzini, kas ir termiskā efektivitāte, skaidras formulas, praktiski piemēri un salīdzinājumi — no auto dzinējiem līdz kombinētajām elektrostacijām.

Autors: Leandro Alegsa

21-10-2025 17:26

Siltumefektivitāte ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) ir bezdimensiju (bezvienību) lielums, kas raksturo, cik efektīvi siltumiekārta pārvērš saņemto enerģiju vēlamajā izlaides formā. To lieto, piemēram, novērtējot iekšdedzes dzinējus, katlus vai krāsnis, kā arī citus siltuma un darba apmaiņas procesus.

Ierīces ieejas enerģijas avots bieži tiek apzīmēts kā siltuma daudzums Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ (piemēram, patērētā kurināmā siltumietilpība vai piegādātā siltuma plūsma). Vēlamais izejas rezultāts var būt mehāniskais darbs W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , izdalītais siltums Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , vai abu veidu kombinācija. Tā kā ievadītajam siltumam parasti ir finansiālas izmaksas, vispārīga termiskās efektivitātes definīcija ir šāda:

η t h ≡ izeja Ieeja . {\displaystyle \eta _{th}\equiv {\frac {\text{Izejas}}}{\text{Ieejas}}}. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Robežas un termodinamikas ierobežojumi

No pirmā un otrā termodinamikas likuma izriet, ka izejas enerģija nevar pārsniegt ievadīto, tāpēc

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

Izsakot procentos, termiskajai efektivitātei jābūt no 0 % līdz 100 %. Reālā dzīvē efektivitāte parasti ir krietni mazāka par 100 % sakarā ar enerģijas zudumiem — berzi, siltuma izkliedi, nepilnīgu degšanu un citām nelineārajām procesiem.

Carnot ierobežojums (ideālais maksimums siltuma dzinējiem)

Ideāla siltuma dzinēja (Beztera–Karnota) maksimālā efektivitāte starp siltuma avotu ar temperatūru T_h un siltuma krātuvi ar temperatūru T_c ir

η_Carnot = 1 − T_c/T_h, kur temperatūras jāizsaka Kelvinos. Šis ierobežojums nozīmē, ka pat perfektā procesā nekad nav iespējams pārvērst visu ievadīto siltumu darbā, ja temperatūras nav vienādas.

Praktiski piemēri

Tipiski piemēri reālajām sistēmām:

Parasts benzīna automobiļa dzinējs: aptuveni 20–30 % termiskā efektivitāte (bieži ap ~25 %).
Lielas ar oglēm darbināmas elektrostacijas: parasti līdz ~36 % (viencikla).
Kombinētā cikla elektrostacijas (ģeneratora turbīna + gāzturbīna): efektivitāte var tuvināties 60 %.
Elektriskie sildītāji (elektroreobāni): vietējā pārvēršana no elektrības uz siltumu ir tuvu 100 %; tomēr, ja ņem vērā elektrības ražošanu un pārraidi, kopējā sistēmas efektivitāte var būt zemāka.
Siltuma sūkņi: to efektivitāti parasti raksturo ar COP (Coefficient of Performance), kas var būt >1, jo tie pārvieto siltumu, nevis tieši pārveido to no degvielas.

Faktori, kas samazina efektivitāti

Berze un mehāniskie zudumi.
Siltuma zudumi caur apkārtējo vidi (vadīšana, konvekcija, radiācija).
Nepilnīga degšana vai ģenerēto gāzu siltuma neizmantošana.
Termodinamiski neoptimāli procesi (piem., spriegumi, saspiešanas/izplešanās zudumi).
Aprīkojuma nolietojums un slikta apkalpošana.
Desainēšanas ierobežojumi (materiālu temperatūras noturība, drošības rezervītes u.c.).

Kā uzlabot termisko efektivitāti

Atgūstot lietderīgo siltumu (piem., siltuma rekuperatori, kondensācijas katli, siltuma atgūšana no izplūdes gāzēm).
Kombinētā siltuma un elektroenerģijas ražošana (CHP), kur izmanto gan elektrību, gan siltumu.
Uzlabojot izolāciju, lai samazinātu siltuma zudumus.
Optimizējot degšanas procesu, uzlabojot gaisa/degvielas maisījumu un dedzināšanas nosacījumus.
Modernizējot aprīkojumu (augstāku spiedienu/gāzu pārstrādes tehnoloģijas, turbokompresorus, efektīvākas sadegšanas kameras).
Regulāra apkopes un pareiza ekspluatācija, lai novērstu nolietojuma radītus zaudējumus.

Mērīšana un izteikšana

Termiskā efektivitāte ir bezdimensiju skaitlis; to biežāk izsaka procentos (η × 100 %). Piemēram, ja 100 kJ siltuma nodrošina 25 kJ mehāniskā darba, tad η = 25/100 = 0.25 = 25 %.

Kopsavilkumā: siltumefektivitāte palīdz salīdzināt dažādu ierīču un procesu ekonomisko un enerģētisko lietderību. Sapratne par fiziskajiem ierobežojumiem (piem., Karnota likums) un praktiskajām zudumu cēloņiem ļauj plānot pasākumus efektivitātes uzlabošanai un izmaksu samazināšanai.

Siltuma dzinēji

Siltuma dzinēja termiskā efektivitāte, pārveidojot siltumenerģiju mehāniskajā enerģijā, ir enerģijas procentuālā daļa, kas tiek pārvērsta darbā. Siltumefektivitāti definē šādi

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

vai izmantojot pirmo termodinamikas likumu, lai aizstātu saražoto darbu ar siltuma atdevi,

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

Piemēram, ja 1000 džoulu siltumenerģijas tiek pārvērsti 300 džoulos mehāniskās enerģijas (atlikušie 700 džouli tiek izkliedēti kā izplūdes siltums), siltuma efektivitāte ir 30 %.

Enerģijas konversija

Enerģijas pārveidošanas ierīces, piemēram, katla vai krāsns, termiskais lietderības koeficients ir šāds.

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

Tātad katlam, kas uz katliem ar katru 300 kW (jeb 1 000 000 BTU/h) siltuma ekvivalenta ievadi saražo 210 kW (jeb 700 000 BTU/h) izejas jaudu, tā siltuma efektivitāte ir 210/300 = 0,70 jeb 70 %. Tas nozīmē, ka 30 % enerģijas tiek zaudēti vidē.

Elektriskā pretestības sildītāja siltuma lietderības koeficients ir 100 % vai tuvu 100 %, tātad, piemēram, 1500 W siltuma tiek saražoti ar 1500 W elektriskās ieejas jaudas. Salīdzinot apkures iekārtas, piemēram, 100 % efektīvu elektrisko pretestības sildītāju ar 80 % efektīvu dabasgāzes krāsni, ir jāsalīdzina enerģijas cenas, lai noteiktu zemākas izmaksas.

Siltumsūkņi un ledusskapji

Piemēram, siltumsūkņi, ledusskapji un gaisa kondicionieri siltumu nevis pārveido, bet gan pārvieto, tāpēc to siltumtehnisko rādītāju raksturošanai ir vajadzīgi citi mērījumi. Parasti tiek izmantoti šādi rādītāji: energoefektivitātes koeficients (COP), energoefektivitātes koeficients (EER) un sezonas energoefektivitātes koeficients (SEER).

Siltumsūkņa (HP) un ledusskapja (R)* efektivitāte:
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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Ja temperatūras abos siltumsūkņa vai ledusskapja galos ir nemainīgas un procesi ir atgriezeniski:

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 = augsta (temperatūra/karstuma avots), L = zema (temperatūra/karstuma avots)

Energoefektivitāte

Siltuma efektivitāti dažkārt dēvē par energoefektivitāti. Amerikas Savienotajās Valstīs ikdienā biežāk lietotais energoefektivitātes rādītājs dzesēšanas iekārtām, kā arī siltumsūkņiem apkures režīmā ir SEER. Enerģijas konversijas apkures ierīcēm bieži tiek norādīta to maksimālā siltumtehniskā efektivitāte stabilā stāvoklī, piemēram, "šīs krāsns efektivitāte ir 90 %", bet detalizētāks sezonālās energoefektivitātes rādītājs ir gada kurināmā izmantošanas efektivitāte (AFUE).

Saistītās lapas

Termodinamika

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir termiskā efektivitāte?

A: Siltumefektivitāte ir bezdimensiju siltuma ierīces, piemēram, iekšdedzes dzinēja, katla vai krāsns, efektivitātes rādītājs. To aprēķina, dalot ierīces izejas jaudu ar ieejas jaudu.

J: Kādi ir daži termisko ierīču piemēri?

A: Siltumierīču piemēri ir iekšdedzes dzinēji, katli un krāsnis.

J: Kāda ir siltuma ierīces ieejas jauda?

A: Siltumiekārtas ieejas avots ir siltums vai patērētā kurināmā siltumietilpība.

J: Kāda ir vēlamā siltumierīces jauda?

A: Siltumierīces vēlamā izejviela var būt mehāniskais darbs, siltums vai abi.

J: Kā vispārīgi definēt termisko efektivitāti?

A: Siltumefektivitāti vispārīgi var definēt kā jaudu/ieejas jaudu.

J: Kādā diapazonā ietilpst ηth vērtība?

A: ηth vērtībai jābūt no 0 līdz 1,0, ja to izsaka procentos, tad tai jābūt no 0 līdz 100 %.

Vai ηth tipiskās vērtības parasti ir tuvu 100 %?

A: Nē, tādu neefektivitātes faktoru kā berze un siltuma zudumi dēļ tipiskās ηth vērtības ir daudz mazākas par 100 %. Piemēram, benzīna automobiļu dzinēji parasti darbojas ar aptuveni 25 %, bet lielās ar oglēm darbināmās elektrostacijās maksimālā vērtība ir aptuveni 36 %, bet kombinētā cikla elektrostacijās - gandrīz 60 %.

Meklēt