Toplotni motor: definicija, delovanje in vrste termodinamičnih ciklov
Toplotni motor: jasna definicija, delovanje in vrste termodinamičnih ciklov (Carnot, parni, turbinski, bencinski). Razumevanje notranjega izgorevanja, odprtih in zaprtih ciklov. Preberite zdaj.
V tehniki in termodinamiki toplotni motor pretvarja toplotno energijo v mehansko delo z uporabo temperaturne razlike med vročim "virom" in hladnim "ponorom". Toplota se prenaša od vira prek "delovnega telesa" motorja do "ponora", pri tem pa se del toplote spremeni v delo z uporabo lastnosti plina ali tekočine v motorju. Delovanje temelji na termodinamičnih procesih (ekspanzija, stiskanje, absorpcija in odvajanje toplote), pri katerih delovno telo spreminja tlak in temperaturo ter omogoča mehansko gibanje ali vrtenje.
Obstaja več vrst toplotnih motorjev. Vsak ima termodinamični cikel. Toplotni motorji so pogosto poimenovani po termodinamičnem ciklu, ki ga uporabljajo, na primer Carnotov cikel. Pogosto se uporabljajo tudi vsakdanja imena, kot so bencinski ali dizelski, turbinski ali parni motorji.
V motorjih z notranjim izgorevanjem se toplota ustvarja v samem motorju. Drugi toplotni motorji lahko absorbirajo toploto iz zunanjega vira. Toplotni motorji so lahko odprti na zrak ali pa so zaprti in zaščiteni pred zunanjimi vplivi (to se imenuje odprt ali zaprt cikel). Poleg tega ločimo eksternalne (toplota prihaja iz zunanjega goriva ali vira, npr. parni in Stirlingov motor) in notranje izgorevalne motorje (gorivo izgoreva neposredno v delovnem prostoru, npr. bencinski in dizelski motor).
Kako toplotni motor deluje
Osnovni elementi toplotnega motorja so vir toplote (vroči rezervoar), ponor toplote (hladni rezervoar), delovno telo (plin ali tekočina) in mehanski element (bat, turbina, kompresor). Splošen potek je:
- Delovno telo absorbira toploto iz vira — njegova notranja energija in tlak se povečata.
- Delovno telo opravi mehansko delo (ekspanzija v motorju, vrtenje turbine), kar odvzame del energije iz sistema v obliki uporabnega dela.
- Preostala toplota se odvede v ponor (hladilnik) in delovno telo se pripravi na naslednji cikel (stiskanje ali ponovno ogrevanje).
Glavne vrste termodinamičnih ciklov
Najpomembnejši idejni in dejanski cikli so:
- Carnotov cikel — idealni reverzibilni cikel s teoretično največjo možno učinkovitostjo med dvema temperaturnima rezervoarjema (uporaben kot referenca, ne pa praktičen motor).
- Otto cikel — model za bencinske (iskrilne) motorje; izmenjujejo se hitri procesi približno pri stalnem volumnu in stalnem tlaku pri vžigu/ekspanziji.
- Dieslov cikel — model za kompresijsko vžgane motorje (dizli), pri katerih se vžig zgodi zaradi stiskanja in povišane temperature.
- Braytonov (Jouleov) cikel — uporablja se za plinske turbine in reaktivne motorje; temelji na stiskanju, izgorevanju pri skoraj konstantnem tlaku in ekspanziji v turbini.
- Rankinov cikel — standard za parne elektrarne; delovno telo (voda/para) prehaja iz tekočega v plinasto stanje in poganja turbino.
- Stirlingov cikel — zaprti zunanji cikel z regeneracijo toplote; visoka teoretična učinkovitost in tiho delovanje, uporaben pri specialnih aplikacijah.
Učinkovitost in omejitve
Učinkovitost (eta) toplotnega motorja je razmerje med proizvedenim mehanskim delom in vneseno toplotno energijo. Teoretična največja učinkovitost med dvema temperaturnima rezervoarjema je dana s Carnotovim izrekom: η = 1 − T_c/T_h (temperaturi T_c in T_h morata biti v kelvinih). V praksi so učinkovitosti nižje zaradi neidealnosti: trenje, toplotne izgube, nepopolno izgorevanje, nepravilna geometrija, tlaki in hitrost pretoka ter časovne omejitve prenosa toplote.
Realne izboljšave in posebnosti
- Regeneracija: vračanje toplote iz izstopnega toka v vhodni, kot pri Stirlingovem ali Ericssonovem ciklu, povečuje učinkovitost.
- Povezani cikli (combined cycle): povezava plinske turbine (Brayton) s parno turbino (Rankine) v elektrarnah izkoristi odpadno toploto in pomeni višjo skupno učinkovitost.
- Hibridne in napredne tehnike: turbo-poljubenja, neposredno vbrizgavanje, kriogenski sistemi, nadtlak in večstopenjsko stiskanje.
Primeri uporabe in okoljski vidiki
Toplotni motorji poganjajo veliko industrijskih in potrošniških naprav: avtomobile (bencinski, dizelski), letala (turbinske motorje), elektrarne (parne in plinske turbine), ladje in industrijski stroji. Hkrati so glavni vir emisij CO2 in NOx v transportu in energetiki. Zmanjševanje emisij se dosega z izboljšanjem učinkovitosti, uporabo čistejših goriv, recikliranjem odpadne toplote (kogeneracija) in vpeljavo filtrov ter katalizatorjev.
Odprti in zaprti cikli, reverzibilnost
V odprtem ciklu delovno telo kroži skozi okolje (npr. zračni stroji), medtem ko v zaprtih ciklih ostaja v sistemu in le prenaša toploto preko izmenjevalcev. Obratno delovanje toplotnega motorja (sprejemanje dela in prenos toplote od hladnega k toplemu) predstavlja toplotno črpalko ali hladilnik — ista termodinamična načela, le v nasprotni smeri.
Za praktične zasnove in optimizacijo je ključno razumevanje izgub in kompromisov med močjo, učinkovitostjo, stroški in vplivom na okolje. Napredek v materialih, aerodinamiki, elektroniki za nadzor motorjev ter upravljanje z energijo nadalje zvišuje dejanske izkoristke sodobnih toplotnih motorjev.
Slika 1: Shema toplotnega motorja. TH je vir toplote, TC pa hladni odvodnik. QH je toplota, ki priteče v motor. QC je odpadna toplota, ki gre v hladni ponor. W je koristno delo, ki izhaja iz motorja.
Pregled
Ko znanstveniki preučujejo toplotne motorje, pridejo do idej za motorje, ki jih dejansko ni mogoče izdelati . To so tako imenovani idealni motorji ali cikli. Pravi toplotni motorji se pogosto zamenjujejo z idealnimi motorji ali cikli, ki jih poskušajo posnemati.
Pri opisu fizične naprave se običajno uporablja izraz "motor". Pri opisu idealne naprave se uporablja izraz "cikel".
Lahko bi rekli, da je termodinamični cikel idealen primer mehanskega motorja. Prav tako bi lahko rekli, da model ne ustreza popolnoma mehanskemu motorju. Vendar pa poenostavljeni modeli in idealni primeri, ki jih lahko predstavljajo, prinašajo veliko koristi.
Na splošno velja, da večja kot je temperaturna razlika med vročim virom in hladnim ponorom, učinkovitejši je cikel ali motor. Na Zemlji je hladna stran vsakega toplotnega motorja omejena s temperaturo zraka v kraju, kjer je motor.
Večina prizadevanj za izboljšanje učinkovitosti toplotnih motorjev je usmerjena v povečanje temperature vira toplote, vendar se pri zelo visokih temperaturah kovina motorja začne mehčati.
Učinkovitost različnih toplotnih motorjev, ki se danes predlagajo ali uporabljajo, se giblje od 3 odstotkov (97 odstotkov odpadne toplote) pri predlogu za oceansko energijo OTEC, prek 25 odstotkov pri večini avtomobilskih motorjev, 45 odstotkov pri superkritični premogovni elektrarni do približno 60 odstotkov pri parno hlajeni plinski turbini s kombiniranim ciklom. Vsi ti procesi so učinkovitejši (ali manj učinkoviti) zaradi padca temperature v njih.
Najmanj učinkovita tehnologija OTEC uporablja razliko v temperaturi oceanske vode na površini in oceanske vode v globinah, ki je majhna, morda 25 stopinj Celzija, zato mora biti njena učinkovitost nizka.
Najučinkovitejša je plinska turbina s kombiniranim ciklom, ki za segrevanje zraka na skoraj 1530 stopinj Celzija, kar pomeni veliko temperaturno razliko 1500 stopinj Celzija, zgoreva zemeljski plin, zato je lahko učinkovitost zelo velika, če se doda cikel hlajenja s paro.
Vsakdanji primeri
Ljudje večinoma uporabljajo toplotne motorje, pri katerih toplota izvira iz ognja, ki širi delovno tekočino (običajno vodo ali zrak), ponor toplote pa je bodisi vodno telo bodisi ozračje, kot pri hladilnem stolpu.
Znani so parni, dizelski in bencinski motor v avtomobilu, ki uporabljajo ekspanzijo segretih plinov.
Stirlingov motor je veliko redkejši, vendar ga najdemo v majhnih modelih, ki lahko delujejo na toploto roke.
Ena od vrst toplotnih motorjev za igrače je ptič za pitje.
Bimetalni trak je naprava, ki pretvarja temperaturo v mehansko gibanje in se uporablja v termostatih za uravnavanje temperature. Gre za toplotni motor, ki ne uporablja tekočine ali plina.
Sorodne strani
- Toplotna črpalka
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je v tehniki in termodinamiki toplotni motor?
O: Toplotni motor je naprava, ki pretvarja toplotno energijo v mehansko delo z izkoriščanjem temperaturne razlike med vročim "virom" in hladnim "ponorom".
V: Kako deluje toplotni motor?
O: Toplota se prenaša od vira prek delovnega telesa motorja do ponora, pri tem pa se del toplote pretvori v delo z uporabo lastnosti plina ali tekočine v motorju.
V: Kateri so termodinamični cikli, povezani s toplotnimi motorji?
O: Obstaja veliko vrst toplotnih motorjev, vsak pa ima svoj termodinamični cikel. Poimenovani so po termodinamičnem ciklu, ki ga uporabljajo, na primer Carnotov cikel.
V: Kateri so primeri toplotnih motorjev, poimenovanih po vsakdanjih predmetih?
O: Nekateri primeri toplotnih motorjev, poimenovanih po vsakdanjih predmetih, so bencinski/bencinski motorji, turbinski motorji in parni motorji.
V: Kako motorji z notranjim izgorevanjem proizvajajo toploto?
O: Motorji z notranjim izgorevanjem proizvajajo toploto v samem motorju.
V: Ali so lahko toplotni motorji odprti na zrak?
O: Da, toplotni motorji so lahko odprti na zrak ali zaprti in zaprti navzven. To se imenuje odprt ali zaprt cikel.
V: Ali vsi toplotni motorji absorbirajo toploto iz zunanjega vira?
O: Ne, nekateri toplotni motorji lahko absorbirajo toploto iz zunanjega vira, drugi pa lahko proizvajajo toploto v samem motorju.
Iskati