Värmemotor

Se även: Termodynamisk cykel

Figur 1: Värmemotordiagram

Inom termodynamik och teknik är en värmemotor ett system som omvandlar värme till användbar energi , särskilt mekanisk energi , som sedan kan användas för att utföra mekaniskt arbete . Även om begreppet värmemotor ursprungligen uppfattades i samband med mekanisk energi, har begreppet värmemotor tillämpats på olika andra typer av energi, särskilt elektrisk, sedan åtminstone det sena 1800-talet. Värmemotorn gör detta genom att föra ett arbetsämne från en högre tillståndstemperatur till en lägre tillståndstemperatur. En värmekälla genererar termisk energi som för det arbetande ämnet till ett högre temperaturtillstånd. Arbetsämnet genererar arbete i motorns arbetskropp samtidigt som den överför värme till den kallare diskbänken tills den når ett lägre temperaturtillstånd. Under denna process omvandlas en del av den termiska energin till arbete genom att utnyttja arbetsämnets egenskaper. Arbetsämnet kan vara vilket system som helst med en värmekapacitet som inte är noll , men det är vanligtvis en gas eller vätska. Under denna process försvinner normalt en del värme till omgivningen och omvandlas inte till arbete. Dessutom är viss energi oanvändbar på grund av friktion och motstånd.

I allmänhet är en motor vilken maskin som helst som omvandlar energi till mekaniskt arbete . Värmemotorer skiljer sig från andra typer av motorer genom att deras effektivitet i grunden begränsas av Carnots teorem . Även om denna effektivitetsbegränsning kan vara en nackdel, är en fördel med värmemotorer att de flesta former av energi lätt kan omvandlas till värme genom processer som exoterma reaktioner (som förbränning), kärnklyvning , absorption av ljus eller energipartiklar, friktion , förlust och motstånd . Eftersom värmekällan som tillför termisk energi till motorn alltså kan drivas av i stort sett vilken energi som helst, täcker värmemotorer ett brett spektrum av applikationer.

Värmemotorer förväxlas ofta med de cykler de försöker implementera. Typiskt används termen "motor" för en fysisk enhet och "cykel" för modellerna.

Översikt

Inom termodynamik modelleras värmemotorer ofta med en standardteknisk modell som Otto-cykeln . Den teoretiska modellen kan förfinas och utökas med faktiska data från en driftmotor, med hjälp av verktyg som ett indikatordiagram . Eftersom väldigt få faktiska implementeringar av värmemotorer exakt matchar deras underliggande termodynamiska cykler, kan man säga att en termodynamisk cykel är ett idealiskt fall för en mekanisk motor. I vilket fall som helst kräver en fullständig förståelse av en motor och dess effektivitet en god förståelse för den (eventuellt förenklade eller idealiserade) teoretiska modellen, de praktiska nyanserna hos en verklig mekanisk motor och skillnaderna mellan de två.

Generellt sett gäller att ju större skillnaden är i temperatur mellan den varma källan och den kalla diskbänken, desto större är den potentiella termiska effektiviteten för cykeln. På jorden är den kalla sidan av en värmemotor begränsad till att vara nära omgivningstemperaturen i omgivningen, eller inte mycket lägre än 300 kelvin , så de flesta ansträngningar för att förbättra den termodynamiska effektiviteten hos olika värmemotorer fokuserar på att höja temperaturen på källa, inom materiella gränser. Den maximala teoretiska verkningsgraden för en värmemotor (som ingen motor någonsin uppnår) är lika med temperaturskillnaden mellan de varma och kalla delarna dividerat med temperaturen i den varma änden, var och en uttryckt i absolut temperatur .

Effektiviteten hos olika värmemotorer som föreslagits eller används idag har ett stort utbud:

• 3 % (97 procent spillvärme med värme av låg kvalitet) för förslaget om havsenergiomvandling (OTEC)
• 25 % för de flesta bensinmotorer för bilar
• 49 % för ett superkritiskt koleldat kraftverk som Avedøre Power Station
• 60 % för en kombinerad gasturbin

Effektiviteten hos dessa processer är ungefär proportionell mot temperaturfallet över dem. Betydande energi kan förbrukas av hjälputrustning, såsom pumpar, vilket effektivt minskar effektiviteten.

Exempel

Det är viktigt att notera att även om vissa cykler har en typisk förbränningsplats (intern eller extern), kan de ofta implementeras med den andra. Till exempel John Ericsson en extern uppvärmd motor som körs på en cykel som mycket liknar den tidigare dieselcykeln . Dessutom kan externt uppvärmda motorer ofta implementeras i öppna eller slutna cykler. I en sluten cykel hålls arbetsvätskan kvar i motorn vid slutet av cykeln, medan arbetsvätskan är en öppen cykel antingen byts ut med omgivningen tillsammans med förbränningsprodukterna i fallet med förbränningsmotorn eller helt enkelt ventileras till miljön i fallet med externa förbränningsmotorer som ångmotorer och turbiner.

Vardagsexempel

Vardagliga exempel på värmemotorer är värmekraftverk , förbränningsmotor , skjutvapen , kylskåp och värmepumpar . Kraftverk är exempel på värmemotorer som körs i framåtriktning där värme strömmar från en varm behållare och strömmar in i en sval behållare för att producera arbete som önskad produkt. Kylskåp, luftkonditionering och värmepumpar är exempel på värmemotorer som körs omvänt, dvs de använder arbete för att ta värmeenergi vid låg temperatur och höja dess temperatur på ett mer effektivt sätt än den enkla omvandlingen av arbete till värme (antingen genom friktion eller elektriskt motstånd). Kylskåp tar bort värme från en värmeförseglad kammare vid låg temperatur och släpper ut spillvärme vid en högre temperatur till miljön och värmepumpar tar värme från lågtemperaturmiljön och "ventilerar" den in i en termiskt förseglad kammare (ett hus) vid högre temperatur .

I allmänhet utnyttjar värmemotorer de termiska egenskaper som är förknippade med expansion och komprimering av gaser enligt gaslagarna eller egenskaperna som är förknippade med fasförändringar mellan gas- och flytande tillstånd.

Jordens värmemotor

Jordens atmosfär och hydrosfär – jordens värmemotor – är kopplade processer som ständigt jämnar ut obalanser i solvärme genom avdunstning av ytvatten, konvektion, nederbörd, vindar och havscirkulation, när värme distribueras runt jorden.

En Hadley-cell är ett exempel på en värmemotor. Det involverar stigande av varm och fuktig luft i jordens ekvatorialregion och nedstigning av kallare luft i subtroperna skapar en termiskt driven direkt cirkulation, med åtföljande nettoproduktion av kinetisk energi.

Fasbytescykler

I dessa cykler och motorer är arbetsvätskorna gaser och vätskor. Motorn omvandlar arbetsvätskan från en gas till en vätska, från vätska till gas eller båda och genererar arbete från vätskans expansion eller kompression.

• Rankine-cykel (klassisk ångmaskin )
• Regenerativ cykel ( ångmaskin mer effektiv än Rankine-cykel )
• Organisk Rankine-cykel (kylvätskans förändringsfas i temperaturområdena för is och varmt flytande vatten)
• Cykeln av ånga till vätska ( Dricksfågel , Injektor , Minto-hjul )
• Vätska till fast kretslopp ( Frost lyfter - vatten som byter från is till vätska och tillbaka igen kan lyfta sten upp till 60 cm.)
• Cykel från fast till gas ( skjutvapen – fasta drivmedel förbränns till heta gaser.)

Enbart gascykler

I dessa cykler och motorer är arbetsvätskan alltid en gas (dvs det finns ingen fasförändring):

• Carnot cykel ( Carnot värmemotor )
• Ericsson cykel (Caloric Ship John Ericsson)
• Stirlingcykel ( Stirlingmotor , termoakustiska enheter)
• Förbränningsmotor (ICE):
  • Ottocykel (t.ex. bensin/bensinmotor )
  • Dieselcykel (t.ex. dieselmotor )
  • Atkinson-cykel (Atkinson-motor)
  • Brayton cykel eller Joule cykel ursprungligen Ericsson cykel ( gasturbin )
  • Lenoir-cykel (t.ex. pulsjetmotor )
  • Miller-cykel (Miller-motor)

Enbart vätskecykler

I dessa cykler och motorer är arbetsvätskan alltid som vätska:

• Stirlingcykel ( Malone motor )
• Värmeregenerativ cyklon

Elektroncykler

• Johnson termoelektrisk energiomvandlare
• Termoelektrisk ( Peltier–Seebeck-effekt )
• Termogalvanisk cell
• Termionisk emission
• Termotunnelkylning

Magnetiska cykler

• Termomagnetisk motor (Tesla)

Cyklar som används för kylning

Huvudartikel: Refrigeration

Ett hushållskylskåp är ett exempel på en värmepump : en värmemotor i backläge. Arbete används för att skapa en värmeskillnad. Många cykler kan köras omvänt för att flytta värme från den kalla sidan till den varma sidan, vilket gör den kalla sidan svalare och den varma sidan varmare. Förbränningsmotorversioner av dessa cykler är till sin natur inte reversibla.

Kylcykler inkluderar:

• Luftcykelmaskin
• Gasabsorberande kylskåp
• Magnetisk kylning
• Stirling kryokylare
• Ångkompressionskylning
• Vuilleumier cykel

Förångningsvärmemotorer

Bartons förångningsmotor är en värmemotor baserad på en cykel som producerar kraft och kyld fuktig luft från avdunstning av vatten till varm torr luft.

Mesoskopiska värmemotorer

Mesoskopiska värmemotorer är enheter i nanoskala som kan tjäna målet att bearbeta värmeflöden och utföra användbart arbete i liten skala. Potentiella applikationer inkluderar t.ex. elektriska kylanordningar. I sådana mesoskopiska värmemotorer fluktuerar arbetet per arbetscykel på grund av termiskt brus. Det finns exakt jämlikhet som relaterar genomsnittet av exponenter för arbete som utförs av någon värmemotor och värmeöverföringen från det varmare värmebadet. Detta förhållande förvandlar Carnots ojämlikhet till exakt jämlikhet. Detta förhållande är också en Carnot-cykeljämlikhet

Effektivitet

En värmemotors verkningsgrad relaterar till hur mycket nyttigt arbete som produceras för en given mängd tillförd värmeenergi.

termodynamikens lagar , efter en avslutad cykel:

$W+Q=\Delta _{cykel}U=0$

och därför

$W=- Q=-(Q_{c}+Q_{h})$

där

$W=-\oint PdV$ är det nätverk som extraheras från motorn i en cykel. (Det är negativt, i IUPAC-konventionen , eftersom arbetet utförs av motorn.)

$Q_{h}>0$ är värmeenergin som tas från högtemperaturvärmekällan i omgivningen i en cykel. (Det är positivt eftersom värmeenergi tillförs motorn .)

$Q_{c}=-|Q_{c}|<0$ är spillvärmen som motorn avger till kylflänsen med kall temperatur. (Det är negativt eftersom värme går förlorad av motorn till diskbänken.)

Med andra ord, en värmemotor absorberar värmeenergi från högtemperaturvärmekällan, omvandlar en del av den till nyttigt arbete och avger resten som spillvärme till den kalla kylflänsen.

I allmänhet definieras effektiviteten för en given värmeöverföringsprocess av förhållandet mellan "vad som tas ut" och "vad som sätts in". (För ett kylskåp eller värmepump, som kan betraktas som en värmemotor som körs omvänt, är detta prestandakoefficienten och den är ≥ 1.) När det gäller en motor vill man extrahera arbete och måste lägga in värme $Q_{h}$ , till exempel från förbränning av ett bränsle, så motoreffektiviteten definieras rimligen som

$\eta ={\frac {|W|}{Q_{h}}}={\frac {Q_{h}+Q_{c}}{Q_{h}}}=1+{\ frac {Q_{c}}{Q_{h}}}=1-{\frac {|Q_{c}|}{Q_{h}}}$

Verkningsgraden är mindre än 100 % på grund av spillvärmen $Q_{c}<0$ oundvikligen förlorad till kyldisken (och motsvarande kompressionsarbete som lagts in) under den erforderliga omkomprimeringen vid den kalla temperaturen före strömmen motorslag kan inträffa igen.

Den teoretiska maximala verkningsgraden för en värmemotor beror endast på de temperaturer den arbetar mellan. Denna effektivitet härleds vanligtvis med en idealisk imaginär värmemotor som Carnot-värmemotorn , även om andra motorer som använder olika cykler också kan uppnå maximal effektivitet. Matematiskt, efter en hel cykel, är den totala förändringen av entropi noll:

$\ \ \ \Delta S_{h}+\Delta S_{c}=\Delta _{cykel}S=0$

Observera att $\Delta S_{h}$ är positiv eftersom isotermisk expansion i kraftslaget ökar multipliciteten av arbetsvätskan medan $\Delta S_{c}$ är negativ eftersom rekompressionen minskar mångfalden. Om motorn är idealisk och går reversibelt , $Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}$ och $Q_{ c}=T_{c}\Delta S_{c}$ , och därmed

$Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0$ ,

vilket ger $Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}$ och därmed Carnot-gränsen för värmemotorverkningsgrad,

$\eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}$

där $T_{h}$ är den absoluta temperaturen för den varma källan och $T_{c}$ den för den kalla diskbänken, vanligtvis mätt kelvin .

Resonemanget bakom detta är den maximala effektiviteten går som följer. Det antas först att om en mer effektiv värmemotor än en Carnot-motor är möjlig, så skulle den kunna köras baklänges som en värmepump. Matematisk analys kan användas för att visa att denna antagna kombination skulle resultera i en nettominskning av entropin . Eftersom, enligt termodynamikens andra lag, detta är statistiskt osannolikt till uteslutningspunkten, är Carnot-effektiviteten en teoretisk övre gräns för den tillförlitliga effektiviteten för en termodynamisk cykel.

Empiriskt har ingen värmemotor någonsin visat sig gå med högre effektivitet än en Carnot-värmemotor.

Figur 2 och figur 3 visar variationer på Carnot-cykeleffektivitet med temperatur. Figur 2 visar hur verkningsgraden förändras med en ökning av tillsatstemperaturen för en konstant kompressorinloppstemperatur. Figur 3 visar hur verkningsgraden förändras med en ökning av värmeavvisningstemperaturen för en konstant turbininloppstemperatur.

Figur 2: Carnot-cykeleffektivitet med ändrad värmetillsatstemperatur.

Figur 3: Carnot-cykeleffektivitet med ändrad värmeavvisningstemperatur.

Endo-reversibla värmemotorer

Till sin natur måste varje maximalt effektiv Carnot-cykel arbeta vid en oändlig temperaturgradient; detta beror på att all överföring av värme mellan två kroppar med olika temperaturer är irreversibel, därför gäller uttrycket Carnot effektivitet endast för den oändliga gränsen. Det stora problemet är att syftet med de flesta värmemotorer är att producera effekt, och oändlig effekt är sällan önskvärd.

Ett annat mått på ideal värmemotoreffektivitet ges av överväganden om endoreversibel termodynamik , där systemet är uppdelat i reversibla delsystem, men med icke reversibla interaktioner mellan dem. Ett klassiskt exempel är Curzon–Ahlborn-motorn, mycket lik en Carnot-motor, men där de termiska reservoarerna vid temperaturen $T_{h}$ och $T_{c}$ tillåts vara olika från temperaturen hos ämnet som går genom den reversibla Carnot-cykeln: $T'_{h}$ och $T'_{c}$ . Värmeöverföringarna mellan reservoarerna och ämnet anses vara ledande (och irreversibla) i formen $\displaystyle dQ_{h,c }/dt=\alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})}$ . I det här fallet måste en avvägning göras mellan effekt och effektivitet. Om motorn körs mycket långsamt är värmeflödet lågt, $T\approx T'$ och det klassiska Carnot-resultatet hittas

$\eta =1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}$ ,

men till priset av en försvinnande effekt. Om man istället väljer att driva motorn på sin maximala uteffekt blir verkningsgraden

${\displaystyle \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}} ($ Obs! T i enheter av K eller °R )

Denna modell gör ett bättre jobb med att förutsäga hur bra verkliga värmemotorer kan göra (Callen 1985, se även endoreversibel termodynamik ):

Effektiviseringar av kraftverk

Kraftverk	$T_{c}$ (°C)	$T_{h}$ (°C)	$\eta$ (Carnot)	$\eta$ (Endoreversible)	$\eta$ (Observerad)
West Thurrock (Storbritannien) koleldade kraftverk	25	565	0,64	0,40	0,36
CANDU (Kanada) kärnkraftverk	25	300	0,48	0,28	0,30
Larderello (Italien) geotermiskt kraftverk	80	250	0,33	0,178	0,16

Som visas, Curzon-Ahlborn effektivitet mycket närmare modeller som observerats.

Historia

Huvudartikel: Tidslinje för värmemotorteknik

Se även: Förbränningsmotorns historia och Termodynamikens historia

Värmemotorer har varit kända sedan antiken men gjordes bara till användbara anordningar vid tiden för den industriella revolutionen på 1700-talet. De fortsätter att utvecklas idag.

Förbättringar

Ingenjörer har studerat de olika värmemotorcyklerna för att förbättra mängden användbart arbete som de kan utvinna från en given kraftkälla. Carnot-cykelgränsen kan inte nås med någon gasbaserad cykel, men ingenjörer har hittat minst två sätt att kringgå den gränsen och ett sätt att få bättre effektivitet utan att böja några regler:

1. Öka temperaturskillnaden i värmemotorn. Det enklaste sättet att göra detta är att öka temperaturen på den heta sidan, vilket är det tillvägagångssätt som används i moderna kombinerade gasturbiner . Tyvärr begränsar fysiska gränser (som smältpunkten för materialen som används för att bygga motorn) och miljöhänsyn beträffande NO _x -produktion (om värmekällan är förbränning med omgivande luft) den maximala temperaturen på arbetsbara värmemotorer. Moderna gasturbiner körs vid temperaturer som är så höga som möjligt inom det temperaturintervall som krävs för att upprätthålla acceptabel NOx- _produktion [ . Ett annat sätt att öka effektiviteten är att sänka uttemperaturen. En ny metod för att göra det är att använda blandade kemiska arbetsvätskor och sedan utnyttja blandningarnas förändrade beteende. En av de mest kända är den så kallade Kalina-cykeln , som använder en 70/30-blandning av ammoniak och vatten som sin arbetsvätska. Denna blandning gör att cykeln kan generera användbar kraft vid betydligt lägre temperaturer än de flesta andra processer.
2. Utnyttja arbetsvätskans fysikaliska egenskaper . Den vanligaste sådan exploateringen är användningen av vatten över den kritiska punkten ( superkritiskt vatten) . Vätskors beteende över deras kritiska punkt förändras radikalt, och med material som vatten och koldioxid är det möjligt att utnyttja dessa förändringar i beteende för att extrahera högre termodynamisk effektivitet från värmemotorn, även om den använder en ganska konventionell Brayton eller Rankine cykel. Ett nyare och mycket lovande material för sådana applikationer är superkritisk CO ₂ . SO ₂ och xenon har också övervägts för sådana applikationer. Nackdelar inkluderar problem med korrosion och erosion, det olika kemiska beteendet över och under den kritiska punkten, de nödvändiga höga trycken och – när det gäller svaveldioxid och i mindre utsträckning koldioxid – toxicitet. Bland de nämnda föreningarna är xenon minst lämplig för användning i en kärnreaktor på grund av det höga neutronabsorptionstvärsnittet av nästan alla isotoper av xenon , medan koldioxid och vatten också kan fungera som neutronmoderator för en termisk spektrumreaktor.
3. Utnyttja arbetsvätskans kemiska egenskaper . En ganska ny och ny användning är att använda exotiska arbetsvätskor med fördelaktiga kemiska egenskaper. En sådan är kvävedioxid (NO ₂ ), en giftig komponent i smog, som har en naturlig dimer som di-kvävetetraoxid (N ₂ O ₄ ). Vid låg temperatur komprimeras N ₂ O _{4 och värms sedan upp.} Den ökande temperaturen gör att varje N ₂ O ₄ bryts isär till två NO ₂ -molekyler. Detta sänker arbetsvätskans molekylvikt, vilket drastiskt ökar cykelns effektivitet. När NO ₂ väl har expanderat genom turbinen, kyls den av kylflänsen , vilket gör att den rekombinerar till N ₂ O ₄ . Detta matas sedan tillbaka av kompressorn för ytterligare en cykel. Sådana arter som aluminiumbromid (Al2Br6 _{) ,} NOCl och Ga2I6 _har alla undersökts för sådana _{användningar} . Hittills har deras nackdelar inte motiverat användningen, trots de effektivitetsvinster som kan realiseras.

Värmemotorprocesser

Cykel	Kompression, 1→2	Värmetillsats, 2→3	Expansion, 3→4	Värmeavvisning, 4→1	Anteckningar
Effektcykler normalt med extern förbränning - eller värmepumpscykler:
Bell Coleman	adiabatisk	isobarisk	adiabatisk	isobarisk	En omvänd Brayton-cykel
Carnot	isentropisk	isotermisk	isentropisk	isotermisk	Carnot värmemotor
Ericsson	isotermisk	isobarisk	isotermisk	isobarisk	Den andra Ericssoncykeln från 1853
Rankine	adiabatisk	isobarisk	adiabatisk	isobarisk	Ångmotorer
Hygroskopisk	adiabatisk	isobarisk	adiabatisk	isobarisk
Scuderi	adiabatisk	variabelt tryck och volym	adiabatisk	isokorisk
Stirling	isotermisk	isokorisk	isotermisk	isokorisk	Stirlingmotorer
Manson	isotermisk	isokorisk	isotermisk	isokorisk sedan adiabatisk	Manson och Manson-Guise motorer
Stoddard	adiabatisk	isobarisk	adiabatisk	isobarisk
Effekten cyklar normalt med intern förbränning :
Atkinson	isentropisk	isokorisk	isentropisk	isokorisk	Skiljer sig från Otto-cykeln genom att V 1 < V 4 .
Brayton	adiabatisk	isobarisk	adiabatisk	isobarisk	Ramjets , turbojets , -props och -axlar . Ursprungligen utvecklad för användning i kolvmotorer. Den externa förbränningsversionen av denna cykel är känd som den första Ericsson-cykeln från 1833.
Diesel	adiabatisk	isobarisk	adiabatisk	isokorisk	Dieselmotor
Humphrey	isentropisk	isokorisk	isentropisk	isobarisk	Shcramjets , puls- och kontinuerliga detonationsmotorer
Lenoir		isokorisk	adiabatisk	isobarisk	Pulsstrålar . Observera att 1→2 åstadkommer både värmeavvisning och kompression. Ursprungligen utvecklad för användning i kolvmotorer.
Otto	isentropisk	isokorisk	isentropisk	isokorisk	Bensin/bensinmotorer

Varje process är en av följande:

• isotermisk (vid konstant temperatur, bibehållen med värme tillsatt eller borttagen från en värmekälla eller diskbänk)
• isobarisk (vid konstant tryck)
• isometrisk/isokorisk (vid konstant volym), även kallad iso-volumetrisk
• adiabatisk (ingen värme tillförs eller avlägsnas från systemet under adiabatisk process)
• isentropisk (reversibel adiabatisk process, ingen värme tillförs eller avlägsnas under isentropisk process)

Se även

• Einstein kylskåp
• Värmepump
• Kolvmotor för en allmän beskrivning av kolvmotorernas mekanik
• Termosyntes
• Tidslinje för värmemotorteknik

•   Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Termisk fysik (2:a upplagan). WH Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9 .
•   Callen, Herbert B. (1985). Termodynamik och en introduktion till termostatistik (2nd ed.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8 .
• Robinson, Clark (1943). Skjutvapenens termodynamik . MaGraw-Hill Book Company Inc.