Thermisch rendement

Het thermisch rendement ( η t h \\\eta _, $\eta_{th} \,$ is een dimensieloze prestatiemaatstaf van een thermisch apparaat zoals een verbrandingsmotor, een ketel of een oven, bijvoorbeeld.

De ingang, Q i n de displaystijl Q_in, $Q_{in} \,$ naar het apparaat is warmte, of de warmte-inhoud van een brandstof die verbruikt wordt. De gewenste output is mechanisch werk, of warmte, of $W_{out} \,$ $Q_{out} \,$ misschien allebei. Omdat de input warmte normaal gesproken een echte financiële kost heeft, is een gedenkwaardige, generieke definitie van thermisch rendement

η t h ≡ Uitgang Input . {\\\\eta _ _th}equiv {\frac {Output}}. } $\eta_{th} \equiv \frac{\text{Output}}{\text{Input}}.$

Uit de eerste en tweede wet van de thermodynamica kan de output niet hoger zijn dan wat er wordt ingevoerd, dus

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

Uitgedrukt als percentage moet het thermisch rendement tussen 0% en 100% liggen. Als gevolg van inefficiënties zoals wrijving, warmteverlies en andere factoren, zijn de thermische rendementen doorgaans veel minder dan 100%. Bijvoorbeeld, een typische benzinemotor werkt met een thermisch rendement van ongeveer 25%, en een grote kolengestookte elektriciteitscentrale heeft een piek van ongeveer 36%. In een gecombineerde cyclusinstallatie bedraagt het thermisch rendement bijna 60%.

Warmtekrachtmotoren

Bij het omzetten van thermische energie in mechanische energie is het thermisch rendement van een warmtemotor het percentage energie dat wordt omgezet in werk. Het thermisch rendement wordt gedefinieerd als

η de ≡ W o u t Q i n {\\an8} $\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}}$ ,

of via de eerste wet van de thermodynamica om de afvalwarmteverwijdering te vervangen door het geproduceerde werk,

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

Wanneer bijvoorbeeld 1000 joule thermische energie wordt omgezet in 300 joule mechanische energie (waarbij de resterende 700 joule als afvalwarmte wordt afgevoerd), bedraagt het thermisch rendement 30%.

Energieomzetting

Voor een energieomzettingsapparaat zoals een ketel of oven is het thermisch rendement

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

Voor een ketel die 210 kW (of 700.000 BTU/h) vermogen produceert voor elke 300 kW (of 1.000.000 BTU/h) warmte-equivalent vermogen, is het thermisch rendement dus 210/300 = 0,70, of 70%. Dit betekent dat de 30% van de energie verloren gaat aan het milieu.

Een elektrische weerstandsverhitter heeft een thermisch rendement van ongeveer 100%, zodat bijvoorbeeld 1500W aan warmte wordt geproduceerd voor 1500W aan elektrisch vermogen. Bij het vergelijken van verwarmingseenheden, zoals een 100% efficiënte elektrische weerstandsverhitter met een 80% efficiënte aardgasoven, moeten de energieprijzen worden vergeleken om de lagere kosten te vinden.

Warmtepompen en koelkasten

Warmtepompen, koelkasten en airconditioners verplaatsen bijvoorbeeld warmte in plaats van deze om te zetten, dus er zijn andere maatregelen nodig om hun thermische prestaties te beschrijven. De gemeenschappelijke maatregelen zijn de coefficient-of-performance (COP), de energie-efficiëntieverhouding (EER) en de seizoensgebonden energie-efficiëntieverhouding (SEER).

Het rendement van een Warmtepomp (HP) en Koelkasten (R)*:
E H P = Q H | W | E_HP={\frac {Q_{H}}}{W}} $E_{HP}=\frac{|Q_H|}{|W|}$

E R = Q L = W W = Displaystyle E_R = Frac = Q L = W $E_{R}=\frac{|Q_L|}{|W|}$

E H P - E R = 1 {\\\\playstyle E_HP}-E_{R}=1} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Als de temperaturen aan beide uiteinden van de Warmtepomp of Koelkast constant zijn en hun processen omkeerbaar:

E H P = T H T H - T L {\\frac {T_{H}={T_{H}-T_}}}}} $E_{HP}=\frac{T_H}{T_H - T_L}$

E R = T L T H - T L {\\frac {T_{L}={T_{H}-T}}}}} $E_{R}=\frac{T_L}{T_H - T_L}$

*H=hoog (temperatuur/warmtebron), L=laag (temperatuur/warmtebron)

Energie-efficiëntie

Het 'thermisch rendement' wordt ook wel het energierendement genoemd. In de Verenigde Staten is de SEER in het dagelijks gebruik de meest gebruikelijke maatstaf voor de energie-efficiëntie van koelapparaten, maar ook voor warmtepompen in de verwarmingsmodus. Bij verwarmingstoestellen met energieomschakeling wordt vaak het hoogste thermische rendement in de stationaire toestand vermeld, bijvoorbeeld 'deze oven is 90% efficiënt', maar een meer gedetailleerde maatstaf voor de seizoensgebonden energie-efficiëntie is het Annual Fuel Utilization Efficiency (AFUE).

Gerelateerde pagina's

Thermodynamica

Vragen en antwoorden

V: Wat is thermisch rendement?

A: Het thermisch rendement is een dimensieloze prestatiemeting van een thermisch apparaat zoals een verbrandingsmotor, ketel of oven. Het wordt berekend door de output te delen door de input van het apparaat.

V: Wat zijn enkele voorbeelden van thermische toestellen?

A: Voorbeelden van thermische apparaten zijn verbrandingsmotoren, boilers en ovens.

V: Wat is de input van een thermisch toestel?

A: De input van een thermisch toestel is warmte of de warmte-inhoud van een brandstof die wordt verbruikt.

V: Wat is de gewenste output van een thermisch toestel?

A: De gewenste output van een thermisch toestel kan mechanische arbeid, warmte of beide zijn.

V: Hoe kan het thermisch rendement in het algemeen worden gedefinieerd?

A: Het thermisch rendement kan in het algemeen worden gedefinieerd als output/input.

V: Tussen welk bereik ligt de waarde voor ηth?

A: De waarde voor ηth moet tussen 0 en 1,0 liggen, als hij als percentage wordt uitgedrukt tussen 0% en 100%.

V: Liggen typische waarden voor ηth gewoonlijk dicht bij 100%?

A: Nee, door inefficiënties zoals wrijving en warmteverlies zijn typische waarden voor ηth veel lager dan 100%. Zo werken benzinemotoren doorgaans op ongeveer 25%, terwijl grote kolengestookte elektriciteitscentrales een piek bereiken van ongeveer 36%, terwijl gecombineerde-cycluscentrales 60% benaderen.