Verkningsgrad

Från Wikipedia
Hoppa till navigering Hoppa till sök

Verkningsgrad är en dimensionslös storhet som betecknar förhållandet mellan nyttiggjord och tillförd energi i ett system. Den betecknas vanligtvis med η (eta).[1]

I allmänhet betecknar verkningsgrad kvoten mellan utvunnen nyttoenergi, oavsett i vilken form, och tillförd energi, oavsett i vilken form. Verkningsgraden är i praktiken alltid mindre än 1 eftersom alla verkliga system har energiförluster i någon form. Ibland anges verkningsgraden som kvoten mellan nyttiggjord och tillförd effekt, vilket är likvärdigt.

Termodynamik[redigera | redigera wikitext]

Inom termodynamiken betecknas verkningsgraden vanligtvis med η (eta), och anger hur mycket av ett systems energi som går att utvinna till användbart mekaniskt arbete.

Verkningsgraden definieras som kvoten mellan utvunnet arbete (W) och tillförd värmemängd (Q) genom sambandet

För värmemaskiner ges den teoretiskt största möjliga verkningsgraden av

där är temperatur på varma sidan, och på kalla sidan, där temperaturerna anges som absoluta temperaturer i kelvin.

Sambandet ovan uttrycker att ju lägre temperatur en värmekälla har, så har den allt sämre "kvalitet", och en allt mindre andel av värmeenergin kan omvandlas till mekaniskt arbete.

Mekaniskt arbete och elektrisk energi är däremot bägge energiformer av mycket hög "kvalitet" som fullständigt kan omvandlas till värme, medan det omvända innebär betydande förluster.

Exempel[redigera | redigera wikitext]

Värmekraftverk[redigera | redigera wikitext]

Dagens kärnkraftverk har typiskt en ångtemperatur på 270 + 273 = 543 K, och kyls med havsvatten på 20 + 273 = 293 K. Teoretiskt största möjliga verkningsgrad enligt sambandet (Thot-Tcold)/Thot blir då cirka 46 procent, men praktiskt brukar cirka 35 procent uppnås. Moderna fossileldade kraftverk kan ha en ångtemperatur på 550 + 273 = 823 K och får på liknande sätt en teoretiskt högsta verkningsgrad på cirka 64 procent, men praktiskt kan kanske 50 procent uppnås.

Förbränningsmotorer[redigera | redigera wikitext]

Verkningsgraden hos förbränningsmotorer kan aldrig vara större än (Thot-Tcold)/Thot, vilket innebär att det är en fördel att ha en hög förbränningstemperatur. Här finns det dock praktiska begränsningar i materialens hållfasthet och oönskad produktion av kväveoxider.

Den teoretiska termodynamiska verkningsgraden uppnås endast under ideala kvasistatiska processer. För en bensinmotor blir verkningsgraden avsevärt lägre, och den kan under goda driftsförhållanden omvandla cirka 30 procent av bränslets kemiska energi till mekaniskt arbete.[2] Stora, långsamtgående dieselmotorer som används i större fartyg kan uppnå en verkningsgrad på upp emot 50 procent.

Belysning[redigera | redigera wikitext]

Ljusflöde mäts i lumen, och en lampas verkningsgrad är hur väl den omvandlar inmatad elektrisk energi till ljus. Med vissa antaganden[3] kan man visa att en anordning som fullständigt omvandlar energi till synligt ljus av våglängden 555 nm teoretiskt kan ge 683 lumen/watt, men en sådan ljuskälla är knappast användbar då den har en obefintlig färgåtergivning. På liknande sätt kan man visa att en anordning som avger ett mycket högkvalitativt vitt ljus i det synliga våglängdsområdet med god färgåtergivning teoretiskt kan ge 251 lumen/watt. Om något sämre färgåtergivning accepteras kan luminositeter på mellan 260 och 300 lumen/watt teoretiskt uppnås.

I dagsläget (2018) marknadsförs till exempel LED-lampor med god färgåtergivning med angiven effekt på 7 watt och ett ljusflöde på 610 lumen, vilket motsvarar 87 lumen/watt.

Rent energimässigt kommer 87/683 = 13 procent av tillförd energi att avges som ljus, medan 87 procent kommer att omvandlas till värme - alltså en verkningsgrad på 13 procent.

Man kan dock även relatera avgivet ljus med teoretiskt möjligt från en lampa med god, men inte perfekt färgåtergivning, och ange verkningsgraden som 87/300 = 29 procent.

En traditionell glödlampa på 60 watt har ett ljusflöde på cirka 600 lumen, det vill säga cirka 10 lumen/watt, och får på liknande sätt en verkningsgrad på 1,5 eller 3,3 procent.

Elektromaskiner[redigera | redigera wikitext]

Elektriska motorer och generatorer omvandlar högvärdig elektrisk energi till högvärdigt mekaniskt arbete (och omvänt) vilket kan ske med små förluster. De har normalt verkningsgrader på minst 90–95 procent.

Verkningsgrader större än ett[redigera | redigera wikitext]

Ibland förekommer uppgifter om verkningsgrad större än ett på vissa apparater, till exempel värmepumpar som brukar ha en angiven "verkningsgrad" mellan två och tre. Då syftar verkningsgraden enbart på mängden utvunnen värme jämfört med enbart tillförd elektrisk energi. Resterande energi tas ur den omgivande luften/jorden/vattnet och den totala verkningsgraden för systemet blir till slut mindre än ett. Korrektare benämning i detta fall är värmefaktor.

Ett system som verkligen hade en verkningsgrad större än ett skulle vara en evighetsmaskin, vilket strider mot kända naturlagar och därför är omöjligt.

Systemtänkande/samhällsperspektiv[redigera | redigera wikitext]

Även om en apparat i sig har en till synes mycket hög verkningsgrad behöver det inte betyda att det är en energioptimal lösning. Ett elektriskt värmeelement har till exempel i princip 100 procents verkningsgrad, men elektriciteten skulle i stället kunna användas för att driva en värmepump.

Noter[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ Verkningsgrad i Nationalencyklopedins nätupplaga.
  2. ^ Beckman, Olof (2002). Energilära: grundläggande termodynamik (fjärde omarbetade upplagan). Stockholm: Liber. sid. 269. ISBN 978-91-47052-18-9 
  3. ^ Tom Murphy (31 juli 2011). ”Maximum Efficiency of White Light”. UCSD - University of California San Diego. http://tmurphy.physics.ucsd.edu/papers/lumens-per-watt.pdf. Läst 13 augusti 2018.