Hatásfok

A hatásfok a rendelkezésre álló energia felhasználásának mértéke. A hatásfok számítása:

$\eta ={E_{h} \over E_{b}}$

ahol:

η – a hatásfok,

E_h – a hasznosult energia,

E_b – a befektetett (összes) energia.

A befektetett energia és a hasznosult energia különbsége az E_V veszteség (amely hőként, hangként vagy egyéb formában a környezetbe távozik):

$E_{V}=E_{b}-E_{h}$

Az energiamegmaradás törvényéből következik, hogy a hatásfok 1-nél, vagy százalékban kifejezve 100%-nál nagyobb nem lehet. Gyakorlatilag a hatásfok mindig kisebb 100%-nál. A javítása a veszteség csökkentésével vagy egy részének hasznosításával történik.

A hétköznapi szóhasználatban az energia szó szerepel, de a valóságban többnyire a teljesítmény értékét számítjuk (bevezetett, kinyert teljesítmény és teljesítményveszteség). Ebben az értelemben a következő forma is helyes: $\eta ={P_{h} \over P_{b}}$ ahol P a teljesítmény.

A mértékegységekkel és fizikai mennyiségekkel foglalkozó nemzetközi intézmények (BIPM, NIST, IUPAC) ezzel a kérdéssel nem foglalkoznak, mert a hatásfok az egy mértékegységű és egy dimenziójú mennyiségek közé tartozik. Az IUPAC Green Book harmadik kiadása magyarázat nélkül csupán a nevét említi az egy dimenziójú mennyiségekről szóló fejezetben (97. oldal: 3.10.1. Fractions (relative values, yields, and efficiencies).

Energiafolyam

Kombinált ciklusú erőmű tipikus energiafolyama
Q=A fűtőanyag energiája
GT=gázturbina által szolgáltatott energia
ST=gőzturbina által szolgáltatott energia
V1,V2,V3,V4,V5,V6=különböző veszteségek

A veszteségek több forrásból keletkezhetnek, ezt szemléletesen az energiafolyam diagramban (Sankey-diagram) szokták ábrázolni. Az energia áramlását százalékos értékével arányos vastagságú nyíllal jelölik, melyből az egyes veszteségek elágaznak, esetleg valamilyen energiahasznosító művelet segítségével visszaáramolnak a rendszerbe. Példaképpen egy kombinált ciklusú erőmű egyszerűsített energiafolyam ábrája látható, ahol az erőműbe bevezetett energiából a gázturbina által hajtott generátor szolgáltatta elektromos energia (GT) és a gőzturbina generátorának elektromos energiája a hasznos energia. Az erőmű összhatásfoka az ábra jelöléseivel:

$\eta ={\frac {GT+ST}{Q}}$

Összhatásfok

Az egyes veszteségek hatását részhatásfokkal lehet figyelembe venni. Az ilyen módon számolt hatásfokokkal az összhatásfok a részhatásfokok szorzatával egyenlő:

$\eta _{\ddot {o}}=\eta _{1}*\eta _{2}*...\eta _{n}\,$

Termikus hatásfok

Az ideális Carnot-ciklus hatásfoka :$\eta _{C}={\frac {W}{Q_{H}}}=1-{\frac {T_{0}}{T}}$, ahol

$W$ a ciklusból nyert munka;

$Q_{H}$ a hőenergia;

$T_{0}$ az alacsonyabb hőmérsékletű hőtartály

$T$ a magasabb hőmérsékletű hőtartály hőmérséklete

Carnot tétele szerint semmilyen termikus folyamat hatásfoka nem lépheti túl ezt az értéket.

Ha a ciklusok számának mértékegysége $1$, akkor a munka és a hőmennyiség mértékegysége ${\rm {\frac {J}{1}}}$.

Ugyanezt a hatásfokot kapjuk, ha a munkavégző közeg tömegére vonatkoztatjuk a munkát és a hőmennyiséget, tehát mértékegységeik: ${\rm {\frac {J}{kg}}}$

Részteljesítmény

Egy adott berendezés (erőgép vagy munkagép) hatásfokát több tényező befolyásolhatja, így környezeti tényezők (például légnyomás, külső hőmérséklet), de jelentősen változhat a hatásfok a terhelés függvényében. Sok veszteség nem, vagy csak kis mértékben függ a berendezés pillanatnyi teljesítményétől, vagyis a bevezetett energiától. Egy forgó villanymotor súrlódási vesztesége független attól, hogy teljes teljesítménnyel dolgozik vagy éppen üresjáratban forog. Az első esetben a hatásfoka a legnagyobb, a másodikban értéke zéró. A műszaki adatok között közölt hatásfok értékek általában a legkedvezőbb esetre értendők. Egy olyan gép értékelésénél, mely gyakran jár részterhelésen, tehát nemcsak a katalógusban megadott hatásfokot kell mérlegelni.

Néhány energiaforrás hatásfoka

• Korai villanykörték 3-5%
• Korai gőzgépek (melyek a fáradt gőzt kiengedték a szabadba) ~5%
• Gőzgép (kondenzátorral) <25%
• Benzinmotor 21-33%
• Dízelmotor 29-42%
• Hagyományos hőerőmű 30-40%
• Kombinált ciklusú kondenzációs hőerőmű <60%
• Hőhasznosító hőerőmű (távfűtés) <90%
• Transzformátor 75-98%
• Vízerőmű
• Villamos motor 60-96% [1]

Források

• Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
• Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. 14. lényegesen átdolgozott és bővített kiadás. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. ISBN 963-10-4808-X

További információk

• Kombinált gáz- és gőzturbinás erőmű
• Ottó- és Dizel-motor hatásfok

Mértékegysége

A hatásfok mértékegysége 1 (egy). Az SI-mértékegységrendszer az egy dimenziójú és egy mértékegységű mennyiségek mértékegységét az 1-es számjeggyel jelöli, és, ahol szükségtelen, ott el is hagyja. Aktuálisan 1-et kapunk akár energia mértékegységeket osztunk el egymással, akár teljesítmény mértékegységeket.

A tévedés onnan származik, hogy a Sankey-diagramban szereplő energia-mennyiségek mindig azonos időszakra vonatkoznak, tehát valójában a teljesítmény értékét fejezik ki.