Wat is een warmtemotor?
Een warmtemotor is een apparaat dat wordt gebruikt om thermische energie of warmte om te zetten in mechanisch werk. Dit gebeurt wanneer warmte, afkomstig van een hete bron, door de motor zelf gaat en in een koude gootsteen stroomt. De koude gootsteen is het lagere-temperatuurdeel van een thermodynamische cyclus, zoals de condensatie-eenheid in de Rankine- of stoomcyclus. Er zijn veel verschillende soorten warmtemotoren, die elk hun eigen specifieke cyclus hebben. Enkele voorbeelden van warmtemotoren zijn onder meer stoom- en verbrandingsmotoren, samen met Stirling-motoren en gasturbines.
Gewoonlijk wordt een warmtemotor verward met de thermodynamische cyclus die plaatsvindt in de motor zelf. Dit komt vooral omdat warmtemotoren vaak worden geclassificeerd volgens hun specifieke thermodynamische cycli. Het apparaat zelf dat thermische energie omzet in werk, staat bekend als de "motor", terwijl het thermodynamische model dat op de motor wordt toegepast de "cyclus" is. Hierdoor worden stoommachines niet aangeduid als Rankine-motoren.
Een efficiënte hittemotor probeert zijn respectieve cyclus zo goed mogelijk na te bootsen. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de hete bron en de koude spoelbak binnen de cyclus, hoe efficiënter de motor is. Een efficiënte stoommachine heeft bijvoorbeeld zowel een warmtebron op hoge temperatuur als een koude gootsteen op lage temperatuur nodig. In de Rankine-cyclus maakt een ketel gebruik van een brander op hoge temperatuur om water in de stoom om te zetten. Deze stoom gaat door de motor en wordt vervolgens terug gecondenseerd in water door een condensor bij lage temperatuur.
Hoe kouder de condensor, hoe meer stoom terug in water wordt gecondenseerd. Dit komt omdat condensors zijn gemaakt om het verzadigingsproces van de ketel effectief om te keren. Dit helpt bij het bereiken van hogere condensatiesnelheden; hoe hoger de snelheid, hoe meer water wordt teruggevoerd. Dit helpt om de algehele efficiëntie van de stoomcyclus te verhogen.
Hoewel de efficiëntie van een warmtemotor sterk kan worden geoptimaliseerd door een groot temperatuurverschil tussen de warmtebron en de koude spoelbak, is deze nog steeds beperkt. Dit komt omdat de temperatuur van het koelelement afhankelijk is van de temperatuur eromheen, die in sommige situaties niet tot ideale omstandigheden kan worden gekoeld. Hierdoor is de efficiëntie van een warmtemotor beperkt tot de temperatuurlimieten van de koude gootsteen. Een gebruikelijke oplossing hiervoor is het verhogen van de temperatuur van de hete bron; maar zelfs dit is beperkt tot een gebrek aan materiaalsterkte onder hoge temperaturen.
De efficiëntie van een warmtemotor varieert afhankelijk van de specifieke motor en cyclus. De thermische efficiëntie varieert van 3% tot ongeveer 70%, waarbij automotoren een thermische efficiëntie bereiken van ongeveer 25%. De efficiëntere warmtemotoren zijn te vinden in grote energiecentrales, waar zowel gas- als stoomturbines worden gebruikt om elektriciteit op te wekken.