AlegsaOnline.com

Termisk verkningsgrad – definition, formel och typiska värden

Termisk verkningsgrad: tydlig definition, formel och praktiska exempel. Upptäck typiska värden för motorer, pannor och kraftverk samt hur du räknar och jämför dem.

Författare: Leandro Alegsa

10-11-2025

Den termiska verkningsgraden ( η t h {\displaystyle \eta _{th}\,} $\eta_{th} \,$ ) är ett dimensionslöst prestandamått för en termisk anordning, t.ex. en förbränningsmotor, en panna eller en ugn.

Det som matas in i anordningen, Q i n {\displaystyle Q_{in}\,} $Q_{in} \,$ , är värme eller värmeinnehållet i ett bränsle som förbrukas. Det önskade resultatet är mekaniskt arbete, W o u t {\displaystyle W_{out}\,} $W_{out} \,$ , eller värme, Q o u t {\displaystyle Q_{out}\,} $Q_{out} \,$ , eller möjligen båda. Eftersom den tillförda värmen normalt har en reell ekonomisk kostnad är en minnesvärd, allmän definition av termisk verkningsgrad följande

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

Enligt termodynamikens första och andra lag kan produktionen inte överstiga vad som matas in, så

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

När den termiska effektiviteten uttrycks i procent måste den ligga mellan 0 och 100 %. På grund av ineffektivitet som friktion, värmeförluster och andra faktorer är den termiska effektiviteten vanligtvis mycket lägre än 100 %. En typisk bensinmotor i en bil har till exempel en termisk verkningsgrad på cirka 25 %, och ett stort koleldat elkraftverk har en maximal verkningsgrad på cirka 36 %. I en kombicykelanläggning är den termiska verkningsgraden nära 60 %.

Hur beräknas den i praktiken?

I praktiken specificeras ofta vad som räknas som "nyttig utgång" och vilket värde av ingångsenergi som används:

För värmemaskiner (motorer, turbiner) används ofta η_th = W_out / Q_in, där Q_in är den värmeenergi som tillförs från bränslet eller värmekällan och W_out är nettouttaget mekaniskt arbete.
För pannor och värmeväxlare kan η_th anges som η = Q_ut / Q_in, där Q_ut är den användbara värme som levereras till processen eller värmesystemet.
Vid mätning av energi i bränslen måste man ange om man använder lägre värmevärde (LHV) eller högre värmevärde (HHV), eftersom det påverkar nämnaren och därmed verkningsgraden (HHV ger vanligtvis lägre numeriskt värde för η än LHV för samma anläggning).

Teoretisk övre gräns — Carnotverkningsgraden

Den högsta möjliga verkningsgraden för en cyklisk värmemaskin som arbetar mellan två temperaturer ges av Carnotverkningsgraden:

η_Carnot = 1 − T_kall/T_varm, där temperaturerna anges i kelvin. Detta är en idealiserad gräns — verkliga processer har irreversibiliteter som gör att man får betydligt lägre verkningsgrad än Carnotvärdet.

Exempel: Om värmekällan har temperatur 800 K och värmesänkan 300 K blir η_Carnot = 1 − 300/800 = 0,625 (62,5 %). Verkliga kraftverk och motorer når normalt en betydligt lägre andel av detta idealvärde.

Typiska värden och jämförelser

Personbilsbensinmotor (otto): ~20–35 % beroende på belastning och konstruktion.
Dieselmotorer (större lastfordon): ~30–45 %.
Enkel- eller gasgasturbin (kraftproduktion, enkel krets): ~30–40 %.
Kombicykelkraftverk (gas- och ångturbin i serie): upp till ~55–62 % i moderna anläggningar.
Koleldat baslastkraftverk (konventionellt ångpannsystem): ~33–40 % beroende på tryck och teknisk nivå.
Pannor för uppvärmning (för villor/byggnader): mycket varierande, ofta 70–95 % beroende på kondensationsutnyttjande och drift.

Faktorer som påverkar verkningsgraden

Temperaturskillnad mellan värmekälla och värmesänka (större skillnad kan ge högre teoretisk verkningsgrad).
Tekniska förluster: värmeavgivning, friktion, pumpar och fläktar samt avgasspill.
Förbränningsförluster och ofullständig förbränning i motorer och pannor.
Driftsläge: delbelastning ger ofta sämre verkningsgrad än full belastning.
Underhåll och ålder: slitna komponenter ger lägre prestanda.

Mätning och redovisning

När man anger termisk verkningsgrad i tekniska datablad eller ekonomiska analyser bör man tydligt ange:

Vilken definition som används (W_out/Q_in eller Q_ut/Q_in).
Om Q_in är baserat på LHV eller HHV för bränslet.
Under vilka driftsförhållanden verkningsgraden uppmättes (last, temperaturer, omgivning).

Notera om värmepumpar och kylmaskiner

Värmepumpar och kylmaskiner anges vanligtvis inte med "termisk verkningsgrad" utan med effektfaktorn COP (Coefficient of Performance), som kan vara större än 1 eftersom de flyttar värme snarare än omvandlar värme till arbete.

Sammanfattningsvis är termisk verkningsgrad ett grundläggande och enkelt mått på hur väl en termisk anordning omvandlar tillförd energi till användbar energi, men tolkningen kräver att man vet exakt vad som räknas som ingång och nyttig utgång samt under vilka villkor mätningen är gjord.

Värmemotorer

När värmeenergi omvandlas till mekanisk energi är den termiska verkningsgraden för en värmekraftmotor den procentandel av energin som omvandlas till arbete. Den termiska verkningsgraden definieras som

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

eller genom termodynamikens första lag för att ersätta det producerade arbetet med spillvärme,

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

Om till exempel 1 000 joule värmeenergi omvandlas till 300 joule mekanisk energi (medan de återstående 700 joule går till spillvärme) är den termiska verkningsgraden 30 %.

Energiomvandling

För en energiomvandlingsanordning som en panna eller ugn är den termiska verkningsgraden följande

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

För en panna som producerar 210 kW (eller 700 000 BTU/h) för varje 300 kW (eller 1 000 000 BTU/h) värmeekvivalent tillförd effekt är den termiska verkningsgraden 210/300 = 0,70, eller 70 %. Detta innebär att 30 % av energin går förlorad till miljön.

En elektrisk motståndsvärmare har en värmeeffektivitet på 100 % eller mycket nära 100 %, vilket innebär att till exempel 1500 W värme produceras för 1500 W elektrisk tillförd effekt. När man jämför uppvärmningsenheter, t.ex. en 100 % effektiv elektrisk värmare med motstånd mot en 80 % effektiv naturgaseldad ugn, måste man jämföra energipriserna för att hitta den lägsta kostnaden.

Värmepumpar och kylskåp

Värmepumpar, kylskåp och luftkonditioneringsapparater, till exempel, flyttar värme snarare än omvandlar den, så det behövs andra mått för att beskriva deras termiska prestanda. De vanligaste måtten är prestandakoefficienten (COP), energieffektivitetskvoten (EER) och säsongsbaserad energieffektivitetskvot (SEER).

Effektiviteten hos en värmepump (HP) och kylskåp (R)*:
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} $\displaystyle E_{HP} - E_{R} = 1$

Om temperaturen i värmepumpens eller kylskåpets båda ändar är konstant och processerna reversibla:

E H P = T H 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=hög (temperatur/värmekälla), L=låg (temperatur/värmekälla)

Energieffektivitet

Den termiska effektiviteten kallas ibland för energieffektivitet. I USA är SEER i dagligt bruk det vanligaste måttet på energieffektivitet för kylanordningar och för värmepumpar i värmeläge. För uppvärmningsanordningar med energiomvandling anges ofta deras maximala termiska effektivitet i stationärt tillstånd, t.ex. "den här ugnen har en effektivitet på 90 %", men ett mer detaljerat mått på säsongsbaserad energieffektivitet är den årliga bränsleutnyttjandegraden (AFUE).

Relaterade sidor

Termodynamik

Frågor och svar

F: Vad är värmeeffektivitet?

S: Termisk verkningsgrad är ett dimensionslöst prestandamått för en termisk anordning, t.ex. en förbränningsmotor, panna eller ugn. Den beräknas genom att man dividerar utgången med insatsen för anordningen.

F: Vilka är några exempel på termiska anordningar?

S: Exempel på termiska anordningar är förbränningsmotorer, pannor och ugnar.

F: Vad är insatsen i en termisk anordning?

S: Insatsen till en termisk anordning är värme eller värmeinnehållet i ett bränsle som förbrukas.

F: Vad är den önskade produktionen från en termisk anordning?

S: Det önskade resultatet från en termisk anordning kan vara mekaniskt arbete, värme eller både och.

F: Hur kan vi definiera termisk effektivitet i allmänna termer?

S: Den termiska effektiviteten kan generellt definieras som output/input.

F: Inom vilket intervall ligger värdet för ηth?

S: Värdet för ηth måste ligga mellan 0 och 1,0 när det uttrycks i procent måste det ligga mellan 0 och 100 %.

F: Är typiska värden för ηth vanligtvis nära 100 %?

S: Nej, på grund av ineffektivitet som friktion och värmeförlust är typiska värden för ηth mycket lägre än 100 %. Exempelvis drivs bensinbilsmotorer vanligtvis vid cirka 25 % medan stora koleldade elkraftverk når sin topp vid cirka 36 %, med kombikraftverk som närmar sig 60 %.