Co to jest silnik cieplny?

Silnik cieplny jest urządzeniem służącym do przekształcania energii cieplnej lub ciepła w pracę mechaniczną. Odbywa się to, gdy ciepło pochodzące z gorącego źródła przechodzi przez sam silnik i trafia do zimnego pochłaniacza. Zimny ​​zlew jest częścią cyklu termodynamicznego o niższej temperaturze, taką jak jednostka skraplająca znajdująca się w cyklu Rankine'a lub pary. Istnieje wiele różnych rodzajów silników cieplnych, z których każdy ma swój specyficzny cykl. Niektóre przykłady silników cieplnych obejmowałyby silniki parowe i spalinowe, a także silniki Stirlinga i turbiny gazowe.

Zwykle silnik cieplny jest mylony z cyklem termodynamicznym zachodzącym w samym silniku. Wynika to głównie z tego, że silniki cieplne są często klasyfikowane według ich specyficznych cykli termodynamicznych. Samo urządzenie, które zamienia energię cieplną na pracę, jest znane jako „silnik”, podczas gdy model termodynamiczny zastosowany do silnika to „cykl”. Z tego powodu silniki parowe nie są nazywane silnikami Rankine.

Wydajny silnik cieplny spróbuje jak najlepiej naśladować swój cykl. Im wyższa różnica temperatur między źródłem gorącym a chłodnicą w cyklu, tym bardziej wydajny jest silnik. Na przykład wydajny silnik parowy wymaga zarówno źródła ciepła o wysokiej temperaturze, jak i niskotemperaturowego radiatora. W cyklu Rankine'a kocioł wykorzystuje wysokotemperaturowy palnik do zamiany wody w parę. Para ta przechodzi przez silnik, a następnie jest skraplana z powrotem do wody przez skraplacz niskotemperaturowy.

Im zimniejszy jest skraplacz, tym więcej pary skrapla się z powrotem do wody. Wynika to z faktu, że skraplacze są wykonane w celu skutecznego odwrócenia procesu nasycania przeprowadzanego przez kocioł. Takie postępowanie pomoże osiągnąć wyższe szybkości skraplania; im wyższa jest stawka, tym więcej wody zostanie zwrócone. Pomaga to zwiększyć ogólną wydajność cyklu parowego.

Chociaż wydajność silnika cieplnego można bardzo zoptymalizować dzięki dużej różnicy temperatur między źródłem gorącym a zimnym pochłaniaczem, jest on nadal ograniczony. Wynika to z faktu, że temperatura zimnego zlewu zależy od temperatury otoczenia, która w niektórych sytuacjach nie może zostać schłodzona do idealnych warunków. Z tego powodu wydajność silnika cieplnego jest ograniczona do granic temperaturowych radiatora. Częstym rozwiązaniem tego problemu jest wzrost temperatury gorącego źródła; nawet to ogranicza się do braku wytrzymałości materiału w wysokich temperaturach.

Sprawność silnika cieplnego zmienia się w zależności od konkretnego silnika i cyklu. Sprawność cieplna wynosi od 3% do około 70%, przy czym silniki samochodowe osiągają wydajność cieplną około 25%. Bardziej wydajne silniki cieplne znajdują się w dużych elektrowniach, w których zarówno turbiny gazowe, jak i parowe są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej.