Lämpövoimakone
Tekniikassa ja termodynamiikassa lämpövoimakone muuntaa lämpöenergiaa mekaaniseksi työksi käyttämällä kuuman "lähteen" ja kylmän "nielun" välistä lämpötilaeroa. Lämpö siirtyy lähteestä moottorin "työkappaleen" kautta "nieluun", ja tässä prosessissa osa lämmöstä muuttuu työksi käyttämällä moottorin sisällä olevan kaasun tai nesteen ominaisuuksia.
Lämpökoneita on monenlaisia. Jokaisella on oma termodynaaminen syklinsä. Lämpövoimakoneet nimetään usein niiden käyttämän termodynaamisen syklin mukaan, kuten Carnot'n sykli. Ne saavat usein arkipäiväisiä nimiä, kuten bensiini-/bensiinimoottori, turbiinimoottori tai höyrymoottori.
Polttomoottorit tuottavat lämpöä itse moottorin sisällä. Muut lämpövoimakoneet voivat absorboida lämpöä ulkoisesta lähteestä. Lämpövoimakoneet voivat olla ilmalle avoimia tai suljettuja ja ulkopuolelta suljettuja (tätä kutsutaan avoimeksi tai suljetuksi kierroksi).
Kuva 1: Lämpövoimakoneen kaavio. TH on lämmönlähde ja TC on kylmänielu. QH on moottoriin virtaava lämpö. QC on kylmään nieluun menevä hukkalämpö. W on moottorista lähtevä hyötyteho.
Yleiskatsaus
Kun tutkijat tutkivat lämpövoimakoneiden tutkimista, he keksivät ideoita moottoreista, joita ei voida rakentaa. Näitä kutsutaan ideaalimoottoreiksi tai sykleiksi. Todelliset lämpövoimakoneet sekoitetaan usein ideaalisiin moottoreihin tai sykleihin, joita ne pyrkivät jäljittelemään.
Fyysisestä laitteesta käytetään yleensä termiä "moottori". Ideaalia kuvattaessa käytetään termiä "sykli".
Voidaan sanoa, että termodynaaminen sykli on mekaanisen moottorin ideaalitapaus. Yhtä lailla voitaisiin sanoa, että malli ei vastaa täysin mekaanista moottoria. Yksinkertaistetuista malleista ja niiden edustamista ideaalitapauksista on kuitenkin paljon hyötyä.
Yleisesti ottaen, mitä suurempi lämpötilaero kuuman lähteen ja kylmän nielun välillä on, sitä tehokkaampi sykli tai moottori on. Maapallolla minkä tahansa lämpövoimakoneen kylmä puoli rajoittuu sen paikan ilman lämpötilaan, jossa moottori sijaitsee.
Lämpövoimakoneiden hyötysuhteen parantamiseksi pyritään useimmiten nostamaan lämmönlähteen lämpötilaa, mutta hyvin korkeissa lämpötiloissa moottorin metalli alkaa pehmetä.
Nykyisin ehdotettujen tai käytettyjen lämpövoimakoneiden hyötysuhde vaihtelee 3 prosentista (97 prosenttia hukkalämpöä) OTEC-merivoimaehdotuksen osalta, 25 prosentista useimpien autojen moottoreiden osalta, 45 prosentista ylikriittisen hiilivoimalan osalta ja noin 60 prosentista höyryjäähdytteisen yhdistetyn kaasuturbiinin osalta. Kaikkien näiden prosessien hyötysuhde (tai sen puute) johtuu lämpötilan pudotuksesta niiden välillä.
Tehottomin, OTEC, käyttää hyväksi pintaveden ja syvänmeren veden lämpötilaeroa, joka on pieni, ehkä 25 celsiusasteen ero, joten hyötysuhteen on oltava alhainen.
Tehokkain, yhdistetyn syklin kaasuturbiini polttaa maakaasua lämmittääkseen ilmaa lähes 1530 celsiusasteeseen, mikä on suuri 1500 celsiusasteen lämpötilaero, joten hyötysuhde voi olla hyvin suuri, kun siihen lisätään höyrynjäähdytyssykli.
Arkipäivän esimerkkejä
Ihmiset käyttävät useimmiten lämpövoimakoneissa lämpöä, joka saadaan tulesta, joka paisuttaa työstönestettä (tavallisesti joko vettä tai ilmaa), ja lämpönielu on joko vesistö tai ilmakehä, kuten jäähdytystornissa.
Kuumennettujen kaasujen paisumista käyttävät tutut moottorit ovat höyrymoottori, dieselmoottori ja auton bensiinimoottori (bensiinimoottori).
Stirlingin moottori on paljon harvinaisempi, mutta sitä löytyy pienissä malleissa, jotka voivat toimia käden lämmöllä.
Eräs lelujen lämpövoimakone on juomalintu.
Bimetalliliuska on laite, joka muuntaa lämpötilan mekaaniseksi liikkeeksi, ja sitä käytetään termostaateissa lämpötilan säätöön. Se on lämpövoimakone, joka ei käytä nestettä tai kaasua.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Lämpöpumppu
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on lämpövoimakone tekniikassa ja termodynamiikassa?
A: Lämpövoimakone on laite, joka muuntaa lämpöenergiaa mekaaniseksi työksi hyödyntämällä kuuman "lähteen" ja kylmän "nielun" välistä lämpötilaeroa.
K: Miten lämpövoimakone toimii?
V: Lämpö siirtyy lähteestä moottorin työkappaleen kautta nieluun, ja tässä prosessissa osa lämmöstä muutetaan työksi moottorin sisällä olevan kaasun tai nesteen ominaisuuksien avulla.
K: Mitkä ovat lämpövoimakoneisiin liittyvät termodynaamiset syklit?
V: Lämpömoottoreita on monenlaisia, ja kullakin on oma termodynaaminen syklinsä. Ne on nimetty niiden käyttämän termodynaamisen kierron mukaan, kuten Carnot'n kierros.
K: Mitä esimerkkejä lämpövoimakoneista, jotka on nimetty arkipäiväisten esineiden mukaan?
V: Esimerkkejä arkipäiväisten esineiden mukaan nimetyistä lämpövoimakoneista ovat bensiini-/bensiinimoottorit, turbiinimoottorit ja höyrymoottorit.
K: Miten polttomoottorit tuottavat lämpöä?
V: Polttomoottorit tuottavat lämpöä itse moottorissa.
K: Voivatko lämpövoimakoneet olla avoimia ilmaan?
V: Kyllä, lämpövoimakoneet voivat olla ilmalle avoimia tai suljettuja ja ulkoilmalta suljettuja. Tätä kutsutaan avoimeksi tai suljetuksi kierroksi.
K: Imevätkö kaikki lämpövoimakoneet lämpöä ulkoisesta lähteestä?
V: Ei, vaikka jotkin lämpövoimakoneet voivat imeä lämpöä ulkoisesta lähteestä, toiset voivat tuottaa lämpöä itse moottorissa.
