Silnik cieplny: definicja, typy i przykłady

Silniki cieplne są wszędzie wokół ciebie. Od samochodu, którym jeździsz, po lodówkę, która chłodzi żywność, po systemy ogrzewania i chłodzenia w Twoim domu, wszystkie działają w oparciu o te same kluczowe zasady.

Celem każdego silnika cieplnego jest przekształcenie energii cieplnej w użyteczną pracę, a można to zrobić na wiele różnych sposobów. Jedną z najprostszych form silnika cieplnego jest silnik Carnota, nazwany na cześć francuskiego fizyka Nicolasa Leonard Sadi Carnot, zbudowany wokół wyidealizowanego czteroetapowego procesu, który zależy od adiabatycznej i izotermicznej gradacja.

Ale silnik Carnota jest tylko jednym z przykładów silnika cieplnego, a wiele innych typów osiąga ten sam podstawowy cel. Nauka o tym, jak działają silniki cieplne i jak obliczać wydajność silnika cieplnego, jest ważna dla każdego, kto studiuje termodynamikę.

Silnik cieplny to system termodynamiczny, który przekształca energię cieplną w energię mechaniczną. Chociaż pod tym ogólnym tytułem mieści się wiele różnych konstrukcji, w prawie każdym silniku cieplnym można znaleźć kilka podstawowych elementów.

Każdy silnik cieplny wymaga kąpieli cieplnej lub wysokotemperaturowego źródła ciepła, które może przybierać różne formy (na przykład źródłem ciepła w elektrowni jądrowej jest reaktor jądrowy, ale w wielu przypadkach spalanie paliwa służy jako ciepło źródło). Dodatkowo musi istnieć niskotemperaturowy zbiornik zimna, a także sam silnik, który zwykle jest gazem, który rozszerza się pod wpływem ciepła.

Silnik pochłania ciepło z gorącego zbiornika i rozpręża się, a ten proces rozprężania działa na środowisko, zwykle zaprzęgnięty w użyteczną formę z tłokiem. System następnie oddaje energię cieplną z powrotem do zimnego zbiornika i powraca do stanu początkowego. Proces następnie powtarza się w kółko w sposób cykliczny, aby stale generować użyteczną pracę.

Cykle termodynamiczne lub cykle silnika to ogólny sposób opisu wielu specyficznych układów termodynamicznych, które działają w sposób cykliczny, wspólny dla większości silników cieplnych. Najprostszym przykładem silnika cieplnego pracującego z obiegami termodynamicznymi jest silnik Carnota lub silnik pracujący w oparciu o obieg Carnota. Jest to wyidealizowana forma silnika cieplnego, która obejmuje tylko procesy odwracalne, w szczególności adiabatyczne i izotermiczne sprężanie i rozprężanie.

Wszystkie silniki spalinowe pracują w cyklu Otto, który jest innym rodzajem cyklu termodynamicznego, który wykorzystuje zapłon paliwa do pracy na tłoku. W pierwszym etapie tłok opada, aby wciągnąć do silnika mieszankę paliwowo-powietrzną, która w drugim jest adiabatycznie sprężana, a w trzecim zapalana.

Następuje gwałtowny wzrost temperatury i ciśnienia, które działają na tłok poprzez rozprężenie adiabatyczne przed otwarciem zaworu wydechowego, prowadząc do obniżenia ciśnienia. Na koniec tłok podnosi się, aby usunąć zużyte gazy i zakończyć cykl silnika.

Innym typem silnika cieplnego jest silnik Stirlinga, który zawiera stałą ilość gazu, który przemieszcza się między dwoma różnymi cylindrami na różnych etapach procesu. Pierwszy etap polega na podgrzaniu gazu w celu podniesienia temperatury i wytworzenia wysokiego ciśnienia, które porusza tłokiem, zapewniając użyteczną pracę.

Tłok podnosi się z powrotem i wpycha gaz do drugiego cylindra, gdzie jest chłodzony przez zimno zbiornik przed ponownym skompresowaniem, proces wymagający mniej pracy niż został wyprodukowany w poprzednim etap. Na koniec gaz jest cofany do pierwotnej komory, gdzie cykl silnika Stirlinga się powtarza.

Sprawność silnika cieplnego to stosunek pracy użytecznej do włożonej energii cieplnej lub cieplnej, a wynik jest zawsze wartością z zakresu od 0 do 1, bez jednostek, ponieważ zarówno energia cieplna, jak i wydajność pracy są mierzone w dżuli. Oznacza to, że jeśli miałeśidealnysilnik cieplny, miałby sprawność 1 i zamieniłby całą energię cieplną na pracę użytkową, oraz gdyby udało mu się przerobić połowę, sprawność wynosiłaby 0,5. W podstawowej formie formuła może być pisemny:

Oczywiście niemożliwe jest, aby silnik cieplny miał sprawność równą 1, ponieważ druga zasada termodynamiki mówi, że entropia każdego układu zamkniętego wzrasta z czasem. Chociaż istnieje dokładna matematyczna definicja entropii, której możesz użyć, aby to zrozumieć, najprostszy sposób: pomyśl o tym, że nieodłączna nieefektywność każdego procesu prowadzi do pewnej utraty energii, zwykle w postaci marnotrawstwa ciepło. Na przykład tłok silnika niewątpliwie będzie miał pewne tarcie przeciwdziałające jego ruchowi, co oznacza, że ​​system będzie tracił energię w procesie przekształcania ciepła w pracę.

Teoretyczna maksymalna sprawność silnika cieplnego nazywana jest sprawnością Carnota. Równanie na to odnosi się do temperatury gorącego zbiornikaT​_H i zimny zbiornikT​_do do wydajności (η) silnika.

Możesz pomnożyć wynik przez 100, jeśli chcesz wyrazić odpowiedź w procentach. Należy pamiętać, że to jestteoretycznymaksimum – jest mało prawdopodobne, aby jakikolwiek silnik w świecie rzeczywistym rzeczywiście zbliżył się do wydajności Carnota w praktyce.

Ważną rzeczą do zapamiętania jest to, że maksymalizujesz wydajność silników cieplnych poprzez zwiększenie różnicy temperatur pomiędzy gorącym i zimnym zbiornikiem. Do silnika samochodowego,T​_H jest temperaturą gazów wewnątrz silnika podczas spalania orazT​_do to temperatura, w której są wypychane z silnika.

Silnik parowy i turbiny parowe są dwoma najbardziej znanymi przykładami silnika cieplnego i wynalezienie maszyny parowej było ważnym wydarzeniem historycznym w uprzemysłowieniu społeczeństwo. Silnik parowy działa w bardzo podobny sposób do innych omawianych dotychczas silników cieplnych: kocioł zamienia wodę w parę, która jest przesyłana do cylindra zawierającego tłok, a wysokie ciśnienie pary porusza cylinder.

Para przenosi część energii cieplnej do cylindra, schładzając się przy tym, a następnie po całkowitym wypchnięciu tłoka reszta pary jest wypuszczana z cylindra. W tym momencie tłok powraca do swojej pierwotnej pozycji (czasami para jest kierowana na drugą stronę) strony tłoka, aby mógł go również popchnąć), a cykl termodynamiczny rozpoczyna się od nowa z większą ilością pary.

Ta stosunkowo prosta konstrukcja pozwala na wykonanie dużej ilości użytecznej pracy ze wszystkiego, co jest w stanie zagotować wodę. Sprawność silnika cieplnego o tej konstrukcji zależy od różnicy między temperaturą pary a otaczającego powietrza. Lokomotywa parowa wykorzystuje pracę powstałą w wyniku tego procesu do obracania kół i napędzania pociągu.

Turbina parowa działa w bardzo podobny sposób, z tą różnicą, że praca polega na obracaniu turbiny zamiast poruszania tłokiem. Jest to szczególnie przydatny sposób wytwarzania energii elektrycznej ze względu na ruch obrotowy generowany przez parę.

Silnik spalinowy pracuje w oparciu o opisany powyżej cykl Otto, z zapłonem iskrowym stosowanym w silnikach benzynowych i zapłonem samoczynnym stosowanym w silnikach Diesla. Główną różnicą między nimi jest sposób zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej, w której mieszanka paliwowo-powietrzna jest sprężana, a następnie fizycznie zapala się w silnikach benzynowych i wtryskuje paliwo do sprężonego powietrza w silnikach wysokoprężnych, powodując jego zapłon z temperatura.

Poza tym pozostała część cyklu Otto jest zakończona jak opisano wcześniej: Paliwo jest wciągane do silnika (lub po prostu powietrze dla diesel), sprężony, zapalony (przez iskrę dla paliwa i rozpylenie paliwa do gorącego sprężonego powietrza dla oleju napędowego), który wykonuje pracę użytkową na tłok poprzez rozprężenie adiabatyczne, a następnie zawór wydechowy otwiera się, aby zmniejszyć ciśnienie, a tłok wypycha zużyty gaz.

Pompy ciepła, klimatyzatory i lodówki również działają w formie cyklu cieplnego, chociaż ich celem jest wykorzystanie pracy do przemieszczania energii cieplnej, a nie odwrotnie. Na przykład w cyklu grzewczym pompy ciepła czynnik chłodniczy pochłania ciepło z powietrza zewnętrznego ze względu na niższą temperaturę (ponieważ ciepłozawszeprzepływa od gorącego do zimnego), a następnie jest przepychana przez sprężarkę, aby podnieść jej ciśnienie, a tym samym temperaturę.

To cieplejsze powietrze jest następnie przenoszone do skraplacza, w pobliżu ogrzewanego pomieszczenia, gdzie ten sam proces przenosi ciepło do pomieszczenia. Na koniec czynnik chłodniczy jest przepuszczany do zaworu, który obniża ciśnienie, a tym samym temperaturę, gotowy do kolejnego cyklu ogrzewania.

W cyklu chłodzenia (jak w klimatyzatorze lub lodówce) proces przebiega zasadniczo odwrotnie. Czynnik chłodniczy pochłania energię cieplną z pomieszczenia (lub wnętrza lodówki), ponieważ jest utrzymywana w zimna temperatura, a następnie jest przepychany przez sprężarkę, aby zwiększyć ciśnienie i temperatura.

W tym momencie przenosi się na zewnątrz pomieszczenia (lub z tyłu lodówki), gdzie energia cieplna jest przekazywana do chłodniejszego powietrza zewnętrznego (lub otaczającego pomieszczenia). Czynnik chłodniczy jest następnie przesyłany przez zawór w celu obniżenia ciśnienia i temperatury, odczytując kolejny cykl ogrzewania.

Ponieważ cel tych procesów jest przeciwieństwem przykładów silników, wyrażenie na sprawność pompy ciepła czy lodówki też jest inne. Jest to jednak dość przewidywalne w formie. Do ogrzewania:

A do chłodzenia:

GdzieQterminy dotyczą energii cieplnej wprowadzonej do pomieszczenia (indeksem H) i wyprowadzonej z pomieszczenia (indeksem C) orazW​_w to wkład pracy do systemu w postaci energii elektrycznej. Ponownie, ta wartość jest liczbą bezwymiarową z zakresu od 0 do 1, ale jeśli wolisz, możesz pomnożyć wynik przez 100, aby uzyskać wartość procentową.

Elektrownie lub elektrownie to tak naprawdę tylko kolejna forma silnika cieplnego, niezależnie od tego, czy wytwarzają ciepło za pomocą reaktora jądrowego, czy spalając paliwo. Źródło ciepła służy do poruszania turbin, a tym samym wykonywania pracy mechanicznej, często wykorzystując parę z podgrzanej wody do wirowania turbiny parowej, która wytwarza energię elektryczną w sposób opisany powyżej. Dokładny zastosowany cykl cieplny może się różnić w zależności od elektrowni, ale powszechnie stosuje się cykl Rankine'a.

Cykl Rankine'a rozpoczyna się od podniesienia temperatury wody przez źródło ciepła, a następnie rozprężania pary wodnej w turbinę, a następnie kondensację w skraplaczu (uwalnianie ciepła odpadowego w procesie), zanim schłodzona woda trafi do pompa. Pompa zwiększa ciśnienie wody i przygotowuje ją do dalszego podgrzania.