Toplotni motor

Toplotni motor je pogonska mašina koja za proizvodnju rada koristi toplotnu energiju nastalu sagorevanjem goriva. To se ostvaruje tako što se radna supstanca dovede sa stanja više temperature na stanje niže temperaturu. Izvor toplote generiše toplotnu energiju koja radnu supstancu dovodi u stanje visoke temperature. Radna supstanca generiše rad u radnom telu motora dok prenosi toplotu na hladniji toplotni rezervoar dok se ne dostigne stanje niske temperature. Tokom ovog procesa deo toplotne energije se pretvara u rad korišćenjem svojstava radne supstance. Radna supstanca može biti bilo koji sistem toplotnog kapaciteta različitog od nule, ali obično je to gas ili tečnost. Tokom ovog procesa, nešto toplote se obično gubi u okolinu i ne pretvara se u rad. Takođe, deo energije je neupotrebljiv zbog trenja i otpora.

Generalno, motor pretvara energiju u mehanički rad. Toplotni motori se razlikuju od drugih tipova motora po tome što je njihova efikasnost suštinski ograničena Karnoovom teoremom. Iako ovo ograničenje efikasnosti može biti prepreka, prednost toplotnih motora je to što se većina oblika energije može lako pretvoriti u toplotu procesima kao što su egzotermne reakcije (kao što je sagorevanje), nuklearna fisija, apsorpcija svetlosti ili energetskih čestica, trenje, disipacija i otpor. Pošto se izvor toplote koji snabdeva motor toplotnom energijom može napajati praktično bilo kojom vrstom energije, toplotni motori pokrivaju širok spektar primena.

Toplotni motori se često mešaju sa ciklusima koje oni nastoje da implementiraju. Obično se termin „motor“ koristi za fizički uređaj, a „ciklus“ za modele.

Pregled

U termodinamici, toplotni motori se često modeluju korišćenjem standardnog inženjerskog modela kao što je Otov ciklus. Teorijski model se može poboljšati i dopuniti stvarnim podacima iz operativnog motora, koristeći alate kao što je dijagram indikatora. Pošto vrlo malo stvarnih implementacija toplotnih motora tačno odgovara njihovim osnovnim termodinamičkim ciklusima, moglo bi se reći da je termodinamički ciklus idealan slučaj mehaničkog motora. U svakom slučaju, potpuno razumevanje motora i njegove efikasnosti zahteva dobro razumevanje (moguće pojednostavljenog ili idealizovanog) teorijskog modela, praktičnih nijansi stvarnog mehaničkog motora i neslaganja između njih.

Uopšteno govoreći, što je veća razlika u temperaturi između toplog izvora i hladnog ponora, veća je potencijalna toplotna efikasnost ciklusa. Na Zemlji, hladna strana bilo kog toplotnog motora je ograničena na temperaturu okoline, ili ne mnogo niže od 300 kelvina, tako da se većina napora da se poboljša termodinamička efikasnost različitih toplotnih motora fokusira na povećanje temperature izvora, unutar granica materijala. Maksimalna teorijska efikasnost toplotnog motora (koju nijedan motor nikada ne postiže) jednaka je temperaturnoj razlici između toplog i hladnog kraja podeljenoj sa temperaturom na toplom kraju, pri čemu je svaka izražena u apsolutnoj temperaturi.

Efikasnost različitih toplotnih motora koji se danas razmatraju ili koriste ima veliki raspon:

• 3% (97 procenata otpadne toplote koristeći toplotu niskog kvaliteta) za predlog okeanske energije za konverziju toplotne energije okeana (OTEC)
• 25% za većinu automobilskih benzinskih motora
• 49% za superkritičnu elektranu na ugalj kao što je elektrana Avedore
• 60% za kombinovanu gasnu turbinu

Efikasnost ovih procesa je otprilike proporcionalna padu temperature. Značajnu energiju može konzumirati pomoćna oprema, kao što su pumpe, koje efektivno smanjuju efikasnost.

Primeri

Važno je napomenuti da iako neki ciklusi imaju tipično mesto sagorevanja (unutrašnje ili spoljašnje), oni se često mogu primeniti sa drugim. Na primer, Džon Erikson je razvio spoljni grejani motor koji radi po ciklusu veoma sličnom ranijem dizel ciklusu. Pored toga, motori sa spoljnim grejanjem se često mogu implementirati u otvorenim ili zatvorenim ciklusima. U zatvorenom ciklusu radna tečnost se zadržava u motoru po završetku ciklusa, dok se u otvorenom ciklusu radna tečnost ili razmenjuje sa okolinom zajedno sa proizvodima sagorevanja u slučaju motora sa unutrašnjim sagorevanjem ili se jednostavno ispušta u životnu sredinu u slučaju motora sa spoljnim sagorevanjem kao što su parne mašine i turbine.

Svakodnevni primeri

Svakodnevni primeri toplotnih motora uključuju termoelektranu, motor sa unutrašnjim sagorevanjem, vatreno oružje, frižidere i toplotne pumpe. Elektrane su primeri toplotnih motora koji rade u smeru napred u kome toplota teče iz vrućeg rezervoara u hladni rezervoar da bi proizvela rad kao željeni proizvod. Frižideri, klima uređaji i toplotne pumpe su primeri toplotnih motora koji rade u obrnutom smeru, odnosno koriste rad da bi uzeli toplotnu energiju na niskoj temperaturi i podigli njenu temperaturu na efikasniji način od jednostavnog pretvaranja rada u toplotu (bilo kroz trenje ili električni otpor). Frižideri uklanjaju toplotu iz termički zatvorene komore na niskoj temperaturi i odvode otpadnu toplotu na višoj temperaturi u okolinu, a toplotne pumpe uzimaju toplotu iz okruženja niske temperature i 'ispuštaju' je u termički zatvorenu komoru (kuću) na višoj temperaturi.

Uopšteno govoreći, toplotni motori koriste termička svojstva povezana sa širenjem i kompresijom gasova u skladu sa gasnim zakonima ili osobinama povezanim sa faznim promenama između gasnog i tečnog stanja.

Zemljina toplotna mašina

Zemljina atmosfera i hidrosfera — Zemljin toplotni motor — su povezani procesi koji konstantno izjednačavaju neravnoteže solarnog grejanja kroz isparavanje površinske vode, konvekciju, padavine, vetrove i cirkulaciju okeana, pri čemu se toplota distribuira širom sveta.

Hadliova ćelija je primer toplotnog motora. To uključuje podizanje toplog i vlažnog vazduha u zemljinom ekvatorijalnom regionu i spuštanje hladnijeg vazduha u suptropima stvarajući termički vođenu direktnu cirkulaciju, sa posledičnom neto produkcijom kinetičke energije.

Podela

Prema mestu sagorevanja goriva, to jest mestu oslobađanja toplote, toplotni motori mogu biti:

• motori sa spoljašnjim sagorevanjem (SSS motori), koji se dele na
  • klipne (parna mašina);
  • strujne (parna turbina);

• motori sa unutrašnjim sagorevanjem (SUS motori), koji se dele na:
  • klipne:
    • rotacione, to jest motore sa obrtnim klipovima (Vankelov motor);
    • translatorne (ili linijske), to jest sa oscilujućim klipovima. Naziv klipni motori označava ove motore u užem smislu, a koristi se i naziv klasični klipni motori. U ovu grupu spadaju oto motori i dizel-motori, koji mogu biti dvotaktni i četvorotaktni.
  • strujne (gasna turbina, mlazni i raketni motori);

Poboljšanja

Inženjeri su proučavali različite cikluse toplotnog motora kako bi poboljšali količinu korisnog rada koji bi mogli da izvuku iz datog izvora energije. Granica Karnoovog ciklusa se ne može dostići ni sa jednim ciklusom zasnovanim na gasu, ali inženjeri su pronašli najmanje dva načina da zaobiđu to ograničenje i jedan način da se postigne bolja efikasnost bez kršenja pravila:

1. Povećanje temperaturne razlike u toplotnom motoru. Najjednostavniji način da se to uradi je povećanje temperature vruće strane, što je pristup koji se koristi u savremenim gasnim turbinama kombinovanog ciklusa. Nažalost, fizička ograničenja (kao što je tačka topljenja materijala koji se koriste za izradu motora) i zabrinutost za životnu sredinu u vezi sa proizvodnjom NO_x ograničavaju maksimalnu temperaturu na radnim toplotnim motorima. Moderne gasne turbine rade na što je moguće višim temperaturama u opsegu temperatura neophodnih za održavanje prihvatljivog izlaza NO_x. Drugi način povećanja efikasnosti je smanjenje izlazne temperature. Jedan novi metod za to je korišćenje mešanih hemijskih radnih fluida, a zatim iskorišćavanje promenljivog ponašanja smeša. Jedan od najpoznatijih je takozvani Kalina ciklus, koji koristi mešavinu amonijaka i vode 70/30 kao radnu tečnost. Ova mešavina omogućava ciklusu da generiše korisnu snagu na znatno nižim temperaturama od većine drugih procesa.
2. Korišćenje fizičkih svojstva radnog fluida. Najčešća takva eksploatacija je upotreba vode iznad kritične tačke, odnosno superkritične pare. Ponašanje tečnosti iznad njihove kritične tačke se radikalno menja, a sa materijalima kao što su voda i ugljen-dioksid moguće je iskoristiti te promene u ponašanju kako bi se ostvarila veća termodinamička efikasnost iz toplotnog motora, čak i ako koristi prilično konvencionalni Brajtonov ili Rankinov ciklus. Noviji i veoma obećavajući materijal za takve primene je CO₂. SO₂ i ksenon su takođe uzeti u obzir za takve primene, iako je SO₂ toksičan.
3. Korišćenje hemijska svojstva radnog fluida. Prilično nov i neuobičajen pristup je korišćenje egzotičnih radnih tečnosti sa povoljnim hemijskim svojstvima. Jedna takva je azot dioksid (NO₂), toksična komponenta smoga, koji ima prirodni dimer kao di-azot tetraoksid (N₂O₄). Na niskoj temperaturi, N₂O₄ se komprimuje, a zatim zagreva. Povećanje temperature uzrokuje da se svaki N₂O₄ molekul razloži na dva molekula NO₂. Ovo smanjuje molekulsku težinu radnog fluida, što drastično povećava efikasnost ciklusa. Kada dođe do ekspanzije NO₂ u turbini, on se hladi u hladnjaku, što ga uzrokuje njegovu rekombinaciju u N₂O₄. Ovo se zatim vraća kompresorom u sledeđi ciklus. Materije kao što su aluminijum bromid (Al₂Br₆), NOCl i Ga₂I₆ su ispitane za takve upotrebe. Do danas, njihovi nedostaci nisu opravdali njihovu upotrebu, uprkos poboljšanju efikasnosti koja se može ostvariti.

Literatura

• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (2nd izd.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9. 
• Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (2nd izd.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8. 
• Robinson, Clark (1943). The Thermodynamics of Firearms. MaGraw-Hill Book Company Inc. 
• Sloss, Robert (januar 1911). „The Children Of The Gas-Engine: The Revolution In Speed And In Convenience In Transportation - Automobiles, Motor-Cycles, Motor-Boats, Aeroplanes And Other Queer Craft That Ten Years Have Brought”. The World's Work: A History of Our Time. XXI: 13869—13877. Pristupljeno 2009-07-10. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Cardwell, D.S.L. (1971). From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. London: Heinemann. ISBN 978-0-435-54150-7. 
• Leff, H.S.; Rex, A.F., ur. (1990). Maxwell's Demon: Entropy, Information and Computing. Bristol: Adam Hilger. ISBN 978-0-7503-0057-5. 
• Thermal Engineering in Power Systems By Ryoichi Amano, Bengt Sundén, Page 40, chapter 'Brief History of energy conversion'. Volume 22 of Developments in Heat Transfer Series, International series on developments in heat transfer, v. 22, WIT Press, 2008. ISBN 1-84564-062-4; ISBN 978-1-84564-062-0.

Spoljašnje veze

• The Growth Of The Steam-Engine Robert H. Thurston, A. M., C. E., New York: D. Appleton and Company, 1878.