Что такое тепловой двигатель?

Тепловой двигатель - это устройство, используемое для преобразования тепловой энергии или тепла в механическую работу. Это делается, когда тепло, исходящее от горячего источника, проходит через сам двигатель и попадает в холодную раковину. Холодный приемник - это низкотемпературная часть термодинамического цикла, такая как конденсационная установка в цикле Ранкина, или пара. Существует множество различных типов тепловых двигателей, каждый из которых имеет свой специфический цикл. Некоторые примеры тепловых двигателей могут включать паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, а также двигатели Стирлинга и газовые турбины.

Обычно тепловой двигатель путают с термодинамическим циклом, происходящим внутри самого двигателя. Это происходит главным образом потому, что тепловые двигатели часто классифицируются по определенным термодинамическим циклам. Само устройство, которое преобразует тепловую энергию в работу, известно как «двигатель», в то время как термодинамическая модель, применяемая к двигателю, является «циклом». В связи с этим паровые двигатели не называются двигателями Ранкина.

Эффективный тепловой двигатель будет стараться максимально точно имитировать свой соответствующий цикл. Чем выше разница температур между горячим источником и холодным стоком в цикле, тем эффективнее двигатель. Например, эффективный паровой двигатель требует как высокотемпературного источника тепла, так и низкотемпературного холодного радиатора. В цикле Ренкина котел использует высокотемпературную горелку для преобразования воды в пар. Этот пар проходит через двигатель и затем конденсируется обратно в воду через низкотемпературный конденсатор.

Чем холоднее конденсатор, тем больше пара будет конденсироваться обратно в воду. Это связано с тем, что конденсаторы изготовлены таким образом, чтобы эффективно изменять процесс насыщения, выполняемый котлом. Это поможет достичь более высоких скоростей конденсации; чем выше скорость, тем больше воды будет возвращено. Это помогает повысить общую эффективность парового цикла.

Хотя эффективность теплового двигателя может быть сильно оптимизирована за счет большой разницы температур между горячим источником и холодным радиатором, она все еще ограничена. Это связано с тем, что температура радиатора зависит от окружающей его температуры, которая в некоторых ситуациях не может быть охлаждена до идеальных условий. Из-за этого эффективность теплового двигателя ограничена температурными пределами холодной раковины. Распространенным решением этого является повышение температуры горячего источника; все же даже это ограничено отсутствием прочности материала при высоких температурах.

Эффективность теплового двигателя варьируется в зависимости от конкретного двигателя и цикла. Тепловая эффективность колеблется от 3% до 70%, а автомобильные двигатели достигают тепловой эффективности где-то около 25%. Более эффективные тепловые двигатели используются на крупных электростанциях, где для выработки электроэнергии используются как газовые, так и паровые турбины.