Τι είναι ο κινητήρας θερμότητας;

Ένας κινητήρας θερμότητας είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας ή της θερμότητας σε μηχανική εργασία.Αυτό γίνεται όταν η θερμότητα, που προέρχεται από μια ζεστή πηγή, περνάει από τον ίδιο τον κινητήρα και σε ένα κρύο νεροχύτη.Ο κρύος νεροχύτης είναι το τμήμα χαμηλότερης θερμοκρασίας ενός θερμοδυναμικού κύκλου, όπως η μονάδα συμπύκνωσης που βρίσκεται στον κύκλο Rankine ή Steam.Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι θερμικών μηχανών, καθένας από τους οποίους έχει τον δικό του συγκεκριμένο κύκλο.Μερικά παραδείγματα θερμικών κινητήρων θα περιλαμβάνουν κινητήρες ατμού και εσωτερικής καύσης, μαζί με κινητήρες Stirling και αεριοστρόβιλους.Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι οι μηχανές θερμότητας συχνά ταξινομούνται από τους ειδικούς θερμοδυναμικούς κύκλους τους.Η ίδια η συσκευή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια στην εργασία είναι γνωστή ως κινητήρας, ενώ το θερμοδυναμικό μοντέλο που εφαρμόζεται στον κινητήρα είναι ο κύκλος.Λόγω αυτού, οι ατμομηχανές δεν αναφέρονται ως κινητήρες Rankine.

Ένας αποτελεσματικός κινητήρας θερμότητας θα προσπαθήσει και θα μιμείται τον αντίστοιχο κύκλο του όσο το δυνατόν.Όσο υψηλότερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής πηγής και του κρύου νεροχύτη μέσα στον κύκλο, τόσο πιο αποτελεσματική είναι η κινητήρια.Για παράδειγμα, μια αποτελεσματική ατμομηχανή απαιτεί τόσο μια πηγή θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας όσο και ένα κρύο νεροχύτη χαμηλής θερμοκρασίας.Στον κύκλο Rankine, ένας λέβητας χρησιμοποιεί έναν καυστήρα υψηλής θερμοκρασίας για να μετατρέψει το νερό στον ατμό.Αυτός ο ατμός περνάει από τον κινητήρα και στη συνέχεια συμπυκνώνεται πίσω στο νερό μέσω ενός συμπυκνωτή χαμηλής θερμοκρασίας. "Όσο ψυχρότερος είναι ο συμπυκνωτής, όσο περισσότερο ο ατμός θα συμπυκνωθεί πίσω στο νερό.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι συμπυκνωτές γίνονται για να αντιστρέψουν αποτελεσματικά τη διαδικασία κορεσμού που πραγματοποιείται από τον λέβητα.Κάτι τέτοιο θα βοηθήσει στην επίτευξη υψηλότερων ποσοστών συμπύκνωσης.Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός, τόσο περισσότερο θα επιστραφεί το νερό.Αυτό βοηθά στην αύξηση της συνολικής αποτελεσματικότητας του κύκλου του ατμού. Ενώ η απόδοση του κινητήρα θερμότητας μπορεί να βελτιστοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό μέσω της μεγάλης διαφοράς στις θερμοκρασίες μεταξύ της θερμής πηγής και του κρύου νεροχύτη, εξακολουθεί να είναι περιορισμένη.Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η θερμοκρασία του ψυχρού νεροχύτη εξαρτάται από τη θερμοκρασία που την περιβάλλει, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις, δεν μπορεί να ψύχεται σε ιδανικές συνθήκες.Λόγω αυτού, η αποτελεσματικότητα ενός κινητήρα θερμότητας περιορίζεται στα όρια θερμοκρασίας του κρύου νεροχύτη.Μια κοινή λύση σε αυτό είναι να αυξηθεί η θερμοκρασία της θερμής πηγής.Ωστόσο, ακόμη και αυτό περιορίζεται στην έλλειψη αντοχής υλικού υπό υψηλές θερμοκρασίες.

Η απόδοση του κινητήρα θερμότητας ποικίλλει ανάλογα με τον συγκεκριμένο κινητήρα και τον κύκλο.Η θερμική απόδοση κυμαίνεται οπουδήποτε από 3%έως περίπου 70%, με κινητήρες αυτοκινήτων να επιτυγχάνουν θερμική απόδοση κάπου περίπου 25%.Οι πιο αποτελεσματικές θερμικές μηχανές βρίσκονται σε μεγάλες σταθμές ηλεκτροπαραγωγής, όπου χρησιμοποιούνται τόσο αέριο όσο και ατμοστρόβιλοι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.