Účinnosť (technika)

Účinnosť je bezrozmerné číslo, ktoré vyjadruje, ako blízko k ideálnemu procesu prebieha proces v hodnotenom stroji alebo zariadení. Účinnosť sa vypočíta ako podiel sledovanej veličiny na výstupe zariadenia k sledovanej veličine na vstupe zariadenia v rovnakom časovom úseku. Ideálny proces má účinnosť 100 %. Doplnok účinnosti do 100 % hodnotí veľkosť strát procesu.

Pre označenie účinnosti sa obvykle používa grécke písmeno η (eta). Všeobecne môžeme zapísať:

η = ${\frac {A_{o}}{A_{p}}}={\frac {A_{p}-As}{A_{p}}}=1-{\frac {A_{s}}{A_{p}}}$

η - účinnosť
A_o - sledovaná veličina na výstupe (odvedená)
A_p - sledovaná veličina na vstupe (privedená)
A_s - nevyužitá časť veličiny (strata)

Účinnosť sa najčastejšie používa pre porovnanie energií (napr. mechanická práca) alebo výkonu, ale pre rôzne technické aplikácie môžu byť sledované veličiny aj iné (napríklad objem). Dôležité je, aby boli porovnávané veličiny ekvivalentné, t. j. mali rovnaké fyzikálne jednotky. Účinnosťou môžeme hodnotiť zariadenie ako celok, alebo môžeme hodnotiť len časť procesu (funkcie) zariadenia, alebo porovnávať reálne zariadenie s jeho teoretickým alebo iným modelom.

Pri energetickom porovnávaní môžeme hodnotiť:

účinnosť prenosu energie - napríklad v prevodovke automobilu je na vstupe aj na výstupe mechanická práca
účinnosť premeny energie - napríklad v spaľovacom motore je na vstupe chemická energia v palive a na výstupe mechanická práca.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že v rámci technických zariadení môžeme definovať a použiť veľké množstvo účinností. V skutočnosti sa tak aj deje, jednotlivé účinnosti majú svoje ustálené pomenovanie a označenie indexom pri znaku η.

Energetické hodnotenie strojov

Pre energetické hodnotenie strojov všeobecne sa používajú tieto hlavné účinnosti:

Efektívna účinnosť alebo aj celková energetická účinnosť - ktorá hodnotí účinnosť celého zariadenia. Vypočíta sa z pomeru hodnôt energie privedenej do zariadenia a energie odvedenej zo zariadenia.
Mechanická účinnosť - ktorá hodnotí účinnosť mechanických častí zariadenia. Vypočíta sa z pomeru hodnôt mechanickej práce na vstupe zariadenia a mechanickej práce odvedenej zo zariadenia.
Exergetická účinnosť - ktorá hodnotí účinnosť celého zariadenia so zohľadnením iba diponibilnej časti energie vzhľadom na stav okolia (takzvanej exergie). Vypočíta sa z pomeru hodnôt exergie privedenej do zariadenia a energie odvedenej zo zariadenia.

Energetické hodnotenie tepelných strojov

Pre energetické hodnotenie tepelných strojov sa okrem vyššie uvedených účinností definujú ďalšie:

Chemická účinnosť - ktorá sa používa pre opis účinnosti spaľovania, ak v tepelnom stroji dochádza k spaľovaniu. Vypočíta sa z pomeru hodnôt energie privedenej v palive a energie z paliva skutočne uvoľnenej.
Tepelná účinnosť - vyjadruje teoretickú účinnosť daného tepelného cyklu
Indikovaná účinnosť - špeciálne v oblasti spaľovacích motorov. Vypočíta sa z pomeru hodnôt energie privedenej v palive a indikovanej práce skutočného obehu.
Porovnávacia účinnosť - používa sa na vzájomné porovnávanie jednotlivých konštrukčných riešení

Medzi veličiny typu účinnosť je možné zaradiť aj koeficient plnosti indikátorového diagramu. Je to špecifická porovnávacia veličina v oblasti spaľovacích motorov. Vypočíta sa z pomeru hodnôt práce zodpovedajúcej teoretickému obehu pri rovnakých podmienkach a indikovanej práce (vypočítanej z meraných-indikovaných hodnôt tlaku priamo v spaľovacom priestore) skutočného obehu.

Vzťahy medzi účinnosťami

Ak je na jednom zariadení určených viac účinností, medzi niektorými z nich je možné napísať konkrétne závislosti. Platia napríklad nasledovné vzťahy:

η_e = η_ch.η_t.η_p.η_m, pretože η_e $={\frac {W_{e}}{Q_{d}}}={\frac {Q_{p}}{Q_{d}}}.{\frac {W_{t}}{Q_{p}}}.{\frac {W_{i}}{W_{t}}}.{\frac {W_{e}}{W_{i}}}$ $={\frac {W_{e}}{Q_{d}}}={\frac {Q_{p}}{Q_{d}}}.{\frac {W_{t}}{Q_{p}}}.{\frac {W_{i}}{W_{t}}}.{\frac {W_{e}}{W_{i}}}$
- η_e - efektívna účinnosť
- η_ch - chemická účinnosť
- η_t - tepelná účinnosť
- η_p - koeficient plnosti indikátorového diagramu
- η_m - mechanická účinnosť
η_i = η_ch.η_t.η_p, pretože η_i $={\frac {W_{i}}{Q_{d}}}={\frac {Q_{p}}{Q_{d}}}.{\frac {W_{t}}{Q_{p}}}.{\frac {W_{i}}{W_{t}}}$ $={\frac {W_{i}}{Q_{d}}}={\frac {Q_{p}}{Q_{d}}}.{\frac {W_{t}}{Q_{p}}}.{\frac {W_{i}}{W_{t}}}$
- η_i - indikovaná účinnosť
- η_ch - chemická účinnosť
- η_t - tepelná účinnosť
- η_p - koeficient plnosti indikátorového diagramu
η_e = η_i.η_m
- η_e - efektívna účinnosť
- η_i - indikovaná účinnosť
- η_m - mechanická účinnosť

Príklady ďalších účinností

V piestových strojoch, resp. piestových spaľovacích motoroch, je možné definovať napríklad nasledovné účinnosti:

Plniaca účinnosť - vyjadruje stupeň naplnenia valcov spaľovacieho motora čerstvou zmesou. Je to pomer skutočného množstva čerstvej náplne, ktorá zostane vo valci v okamihu zatvorenia sacieho ventilu, a teoreticky možného množstva, zodpovedajúceho zdvihovému objemu valca a podmienkam stavu vzduchu (tlak a teplota) pred vstupom do nasávacieho potrubia.
Objemová účinnosť - vyjadruje stupeň naplnenia valcov piestového stroja (spaľovacieho motora alebo kompresora) pomocou lepšie merateľných veličín. Je to pomer množstva čerstvej náplne, ktorá prejde plniacim traktom, a teoreticky možného množstva, zodpovedajúceho zdvihovému objemu valca.
Dopravná účinnosť - vyjadruje stupeň využitia zdvihového objemu kompresora so zahrnutím strát netesnosťami. Je to pomer hmotnosti vytlačeného plynu k hmotnosti plynu zodpovedajúcej zdvihovému objemu valca prvého stupňa, pri tlaku a teplote rovnakej ako v nasávacom hrdle kompresora. Býva o 4 až 10 % nižšia ako objemová účinnosť.

V dvojtaktných spaľovacích motoroch sa na hodnotenie vyplachovacieho procesu definujú:

Kvantitatívna účinnosť vyplachovania - je to pomer množstva čerstvej náplne, ktorá zostala vo valci po uzatvorení výfukového kanála (ventilu), a množstva náplne, ktorá prejde plniacim traktom
Kvalitatívna účinnosť vyplachovania - je to pomer množstva čerstvej náplne, ktorá zostala vo valci po uzatvorení výfukového kanála, k súčtu tohto množstva a množstva zvyškových spalín z predchádzajúceho obehu

Zdroje

Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.
Tomášek a kol.: Stroje. Pre 4. ročník SPŠS. Slovenské vydavateľstvo technickej literatúry, n.p., Bratislava, 1967.