Vad är en värmemotor?
En värmemotor är en anordning som används för att omvandla termisk energi eller värme till mekaniskt arbete. Detta görs när värme, som kommer från en varm källa, går igenom själva motorn och in i en kall diskbänk. Kylflänsen är den lägre temperaturdelen av en termodynamisk cykel, till exempel kondensationsenheten som finns i Rankine, eller ånga, cykeln. Det finns många olika typer av värmemotorer, som alla har sin egen specifika cykel. Några exempel på värmemotorer skulle inkludera ånga och förbränningsmotorer, tillsammans med Stirling-motorer och gasturbiner.
Vanligtvis kommer en värmemotor att förväxlas med den termodynamiska cykeln som äger rum i själva motorn. Detta beror främst på att värmemotorer ofta klassificeras efter deras specifika termodynamiska cykler. Enheten som konverterar termisk energi till arbete kallas "motorn", medan den termodynamiska modellen som används på motorn är "cykeln". På grund av detta kallas inte ångmotorer Rankine-motorer.
En effektiv värmemotor kommer att försöka efterlikna sin respektive cykel så bra som möjligt. Ju högre temperaturskillnaden mellan varmkällan och kylflänsen under cykeln, desto effektivare är motorn. Till exempel kräver en effektiv ångmotor både en högtemperatur värmekälla och en kylbänk med låg temperatur. I Rankine-cykeln använder en panna en högtemperaturbrännare för att omvandla vatten till ångan. Ångan går igenom motorn och kondenseras sedan tillbaka till vatten genom en kondensor med låg temperatur.
Ju kallare kondensorn är, desto mer ånga kondenseras tillbaka i vatten. Detta beror på att kondensatorer är tillverkade för att effektivt vända mättnadsprocessen som utförs av pannan. Genom att göra detta kommer man att uppnå högre kondenseringshastigheter; ju högre hastigheten är, desto mer vatten kommer att returneras. Detta hjälper till att öka den totala effektiviteten för ångcykeln.
Medan värmemotoreffektiviteten kan optimeras kraftigt genom en stor skillnad i temperaturer mellan varmkällan och kylflänsen, är den fortfarande begränsad. Detta beror på att temperaturen på kylflänsen är beroende av temperaturen som omger den, som i vissa situationer inte kan kylas till ideala förhållanden. På grund av detta är effektiviteten hos en värmemotor begränsad till temperaturgränserna för kylflänsen. En vanlig lösning på detta är att höja temperaturen på den heta källan; men även detta är begränsat till en brist på materialstyrka under höga temperaturer.
Värmemotoreffektiviteten varierar beroende på den specifika motorn och cykeln. Termisk verkningsgrad sträcker sig från 3% till cirka 70%, med bilmotorer som uppnår en termisk effektivitet någonstans runt 25%. De mer effektiva värmemotorerna finns i stora kraftverk, där både gas- och ångturbiner används för att generera el.