Lämpömoottori: määritelmä, tyypit ja esimerkit

Lämpömoottorit ovat kaikkialla ympärilläsi. Autot ajaessasi jääkaappiin, joka pitää ruokasi viileänä, talosi lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmiin - ne kaikki toimivat samojen pääperiaatteiden mukaisesti.

Minkä tahansa lämpökoneen tavoitteena on muuntaa lämpöenergia hyödylliseksi työksi, ja tähän voi käyttää monia erilaisia ​​lähestymistapoja. Yksi lämpökoneiden yksinkertaisimmista muodoista on Carnot-moottori, joka on nimetty ranskalaisen fyysikon Nicolasin mukaan Leonard Sadi Carnot, rakennettu idealisoidun nelivaiheisen prosessin ympärille, joka riippuu adiabaattisesta ja isotermisestä prosessista Tasot.

Mutta Carnot-moottori on vain yksi esimerkki lämpömoottorista, ja monet muut tyypit saavuttavat saman perustavoitteen. Lämpömoottoreiden toiminnasta ja siitä, miten lämpömoottorin hyötysuhde lasketaan, on tärkeää oppia kaikille termodynamiikkaa opiskeleville.

Lämpömoottori on termodynaaminen järjestelmä, joka muuntaa lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi. Vaikka monet eri mallit kuuluvat tämän yleisen otsikon alle, useita peruskomponentteja löytyy melkein mistä tahansa lämpökoneesta.

Mikä tahansa lämpömoottori tarvitsee lämpökylvyn tai korkean lämpötilan lämmönlähteen, joka voi olla monessa eri muodossa (esimerkiksi ydinreaktori on ydinvoimalaitoksen lämmönlähde, mutta lämmönä käytetään usein polttavaa polttoainetta lähde). Lisäksi on oltava matalalämpötilainen kylmäsäiliö samoin kuin itse moottori, joka on yleensä kaasua, joka laajenee lämpöä levitettäessä.

Moottori imee lämpöä kuumasta säiliöstä ja laajenee, ja tämä laajennusprosessi toimii ympäristössä, yleensä valjaattuna käyttökelpoiseen muotoon männällä. Sitten järjestelmä vapauttaa lämpöenergian takaisin kylmäsäiliöön ja palaa alkuperäiseen tilaansa. Sitten prosessi toistuu, uudestaan ​​ja uudestaan ​​syklisesti, jotta voidaan tuottaa jatkuvasti hyödyllistä työtä.

Termodynaamiset jaksot tai moottorisyklit ovat yleinen tapa kuvata monia erityisiä termodynaamisia järjestelmiä, jotka toimivat syklisellä tavalla, joka on yhteinen useimmille lämpökoneille. Yksinkertaisin esimerkki termodynaamisilla sykleillä toimivasta lämpökoneesta on Carnot-moottori tai Carnot-syklin perusteella toimiva moottori. Tämä on idealisoitu lämpökoneen muoto, johon liittyy vain palautuvia prosesseja, erityisesti adiabaattista ja isotermistä puristusta ja laajentamista.

Kaikki polttomoottorit toimivat Otto-syklillä, joka on toinen tyyppinen termodynaaminen sykli, joka käyttää polttoaineen sytytystä työntekoon männässä. Ensimmäisessä vaiheessa mäntä putoaa vetämään polttoaine-ilma-seoksen moottoriin, joka sitten pakataan adiabaattisesti toisessa vaiheessa ja sytytetään kolmannessa.

Lämpötila ja paine nousevat nopeasti, mikä toimii männässä adiabaattisen laajenemisen kautta, ennen kuin pakoventtiili aukeaa, mikä johtaa paineen laskuun. Lopuksi mäntä nousee tyhjentämään kuluneet kaasut ja saattamaan moottorisyklin loppuun.

Toinen lämpömoottorityyppi on Stirling-moottori, joka sisältää kiinteän määrän kaasua, joka liikkuu kahden eri sylinterin välillä prosessin eri vaiheissa. Ensimmäisessä vaiheessa kaasua kuumennetaan lämpötilan nostamiseksi ja korkean paineen tuottamiseksi, mikä siirtää mäntää hyödyllisen työn aikaansaamiseksi.

Sitten mäntä nousee takaisin ylös ja työntää kaasun toiseen sylinteriin, jossa kylmä jäähdyttää sen ennen uudelleen puristamista, prosessi vaatii vähemmän työtä kuin edellisessä tuotettiin vaiheessa. Lopuksi kaasu siirretään takaisin alkuperäiseen kammioon, jossa Stirling-moottorisykli toistuu.

Lämpömoottorin hyötysuhde on hyötysuhteen suhde lämpö - tai lämpöenergiaan ja Tulos on aina arvo välillä 0 ja 1 ilman yksiköitä, koska sekä lämpöenergia että työn tuotos mitataan joulea. Tämä tarkoittaa, että jos sinulla olisitäydellinen- lämpömoottori, sen hyötysuhde olisi 1 ja se muuntaisi kaikki lämpöenergian käyttökelpoiseksi työksi, ja jos se onnistui muuntamaan puolet siitä, hyötysuhde olisi 0,5. Perusmuodossa kaava voi olla kirjoitettu:

Lämpömoottorin hyötysuhde on tietysti mahdoton, koska toinen termodynamiikan laki määrää, että mikä tahansa suljettu järjestelmä lisää entropiaa ajan myötä. Vaikka entropialla on tarkka matemaattinen määritelmä, jonka avulla voit ymmärtää tämän, yksinkertaisin tapa Ajattele sitä, että minkä tahansa prosessin luonnollinen tehottomuus johtaa energian menetykseen, yleensä jätteen muodossa lämpöä. Esimerkiksi moottorin männässä on epäilemättä jonkin verran kitkaa, joka toimii sen liikettä vastaan, mikä tarkoittaa, että järjestelmä menettää energiaa muunnettaessa lämpö työksi.

Lämpömoottorin teoreettista maksimitehokkuutta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi. Tämän yhtälö koskee kuuman säiliön lämpötilaaT​_H ja kylmäsäiliöT​_C tehokkuuteen (η) moottorin.

Voit kertoa tämän tuloksen 100: lla, jos haluat ilmaista vastauksen prosentteina. On tärkeää muistaa, että tämä onteoreettinenmaksimi - on epätodennäköistä, että mikään todellinen moottori lähestyisi käytännössä Carnotin tehokkuutta.

Tärkeää on huomata, että maksimoit lämpömoottoreiden hyötysuhteen lisäämällä lämpötilaeroa kuumavesisäiliön ja kylmäsäiliön välillä. Automoottorille,T​_H on moottorin sisällä olevien kaasujen lämpötila palamisen aikana, jaT​_C on lämpötila, jossa ne työnnetään pois moottorista.

Höyrykone ja höyryturbiinit ovat kaksi tunnetuinta esimerkkiä lämpökoneesta, ja höyrykoneen keksiminen oli tärkeä historiallinen tapahtuma Venäjän teollisuudessa yhteiskunnassa. Höyrykone toimii hyvin samalla tavalla kuin muut tähän mennessä keskustellut lämpökoneet: kattila muuttaa vettä höyryksi, joka lähetetään männän sisältävään sylinteriin, ja höyryn korkea paine siirtää sylinteri.

Höyry siirtää osan lämpöenergiasta sylinteriin, jolloin se jäähtyy prosessin aikana, ja sitten kun mäntä on työnnetty kokonaan ulos, jäljellä oleva höyry päästetään ulos sylinteristä. Tässä vaiheessa mäntä palaa alkuperäiseen asentoonsa (joskus höyry johdetaan ympäri toiseen männän puolelle, jotta se voi työntää sen myös takaisin), ja termodynaaminen sykli alkaa uudestaan ​​lisää höyryä.

Tämän suhteellisen yksinkertaisen rakenteen ansiosta voidaan tuottaa suuri määrä hyödyllistä työtä kaikesta, joka pystyy kiehumaan vettä. Tämän mallin lämpömoottorin hyötysuhde riippuu höyryn ja ympäröivän ilman lämpötilan erosta. Höyryveturi käyttää tästä prosessista syntynyttä työtä pyörän kääntämiseen ja junan kuljettamiseen.

Höyryturbiini toimii hyvin samalla tavalla, paitsi että työ menee turbiinin kääntämiseen männän liikuttamisen sijaan. Tämä on erityisen hyödyllinen tapa tuottaa sähköä höyryn tuottaman pyörimisliikkeen takia.

Polttomoottori toimii yllä kuvatun Otto-syklin perusteella kipinäsytytyksellä bensiinimoottoreissa ja puristussytytyksellä dieselmoottoreissa. Suurin ero näiden välillä on tapa, jolla polttoaine-ilma-seos syttyy polttoaine-ilma-seoksen puristamisen jälkeen ja sitten fyysisesti syttynyt bensiinimoottoreissa ja polttoaine ruiskutetaan paineilmaan dieselmoottoreissa aiheuttaen sen syttymisen lämpötila.

Tämän lisäksi loppuosa Otto-jaksosta suoritetaan aikaisemmin kuvatulla tavalla: Polttoaine imetään moottoriin (tai vain ilmaa diesel), puristettu, sytytetty (kipinällä polttoaineelle ja ruiskuttamalla polttoainetta kuumaan, paineilmaan dieseliin), joka tekee käyttökelpoista työtä männän läpi adiabaattisen laajennuksen avulla, ja sitten poistoventtiili avautuu paineen alentamiseksi, ja mäntä työntää ulos käytetty kaasu.

Lämpöpumput, ilmastointilaitteet ja jääkaapit toimivat myös tietyllä lämpösyklillä, vaikka niillä onkin erilainen tavoite käyttää työtä lämpöenergian siirtämiseen päinvastoin. Esimerkiksi lämpöpumpun lämmitysjaksossa kylmäaine imee lämpöä ulkoilmasta sen alemman lämpötilan vuoksi (koska lämpöainavirtaa kuumasta kylmään) ja työnnetään sitten kompressorin läpi paineen ja siten lämpötilan nostamiseksi.

Tämä kuumempi ilma siirretään sitten lauhduttimeen, lähellä lämmitettävää huonetta, jossa sama prosessi siirtää lämpöä huoneeseen. Lopuksi kylmäaine siirretään venttiiliin, joka alentaa painetta ja siten lämpötilaa, valmiina uudelle lämmitysjaksolle.

Jäähdytysjaksossa (kuten ilmastointilaitteessa tai jääkaapissa) prosessi kulkee olennaisesti päinvastaisessa järjestyksessä. Kylmäaine absorboi lämpöenergian huoneesta (tai jääkaapin sisältä), koska sitä pidetään a kylmä lämpötila, ja sitten se työnnetään kompressorin läpi paineen lisäämiseksi ja lämpötila.

Tässä vaiheessa se liikkuu huoneen ulkopuolelle (tai jääkaapin takaosaan), jossa lämpöenergia siirtyy viileämpään ulkoilmaan (tai ympäröivään huoneeseen). Kylmäaine lähetetään sitten venttiilin läpi paineen ja lämpötilan alentamiseksi, lukemaan toisen lämmitysjakson.

Koska näiden prosessien tavoite on päinvastainen kuin moottoriesimerkit, myös lämpöpumpun tai jääkaapin hyötysuhde on erilainen. Tämä on kuitenkin muodoltaan varsin ennustettavissa. Lämmitykseen:

Ja jäähdytykseen:

MissäQtermit koskevat lämpöenergiaa, joka siirretään huoneeseen (H-alaindeksillä) ja siirrettiin sieltä pois (C-alaindeksillä) jaW​_sisään on työn panos järjestelmään sähkön muodossa. Tämä arvo on jälleen dimensioton luku välillä 0 ja 1, mutta voit kertoa tuloksen 100: lla saadaksesi prosenttiosuuden, jos haluat.

Voimalaitokset tai voimalaitokset ovat oikeastaan ​​vain yksi muoto lämpömoottoreista, riippumatta siitä, tuottavatko ne lämpöä ydinreaktorilla tai polttamalla polttoainetta. Lämmönlähdettä käytetään turbiinien siirtämiseen ja siten mekaanisen työn tekemiseen, usein käyttämällä lämmitetystä vedestä peräisin olevaa höyryä höyryturbiinin pyörittämiseen, mikä tuottaa sähköä edellä kuvatulla tavalla. Tarkka käytetty lämpöjakso voi vaihdella voimalaitosten välillä, mutta Rankine-sykliä käytetään yleisesti.

Rankine-sykli alkaa lämmönlähteestä, joka nostaa veden lämpötilaa, sitten vesihöyryn laajenemisen a: ssa turbiini, jota seuraa lauhduttimen kondensaatio (vapauttaa hukkalämpöä prosessissa), ennen kuin jäähdytetty vesi menee pumppu. Pumppu lisää veden painetta ja valmistaa sen edelleen lämmittämistä varten.