Varmemotor (varmekraftmaskine) – definition, typer og termodynamisk cyklus
Varmemotor (varmekraftmaskine): Få klar definition, gennemgang af typer og termodynamiske cyklusser — fra forbrændingsmotorer til damp- og gasturbiner.
Inden for teknik og termodynamik omdanner en varmemotor (varmekraftmaskine) varmeenergi til mekanisk arbejde ved at udnytte temperaturforskellen mellem en varm kilde og en kold sænkekilde. Varmen overføres fra kilden gennem motorens arbejdslegeme (gasser eller væsker) til sænken, og en del af denne varme omdannes til arbejde ved at udnytte arbejdslegemets termodynamiske egenskaber.
Der findes mange typer varmemotorer, men de har alle en fælles karakteristik: de arbejder efter en eller flere termodynamiske cyklusser. Motorer får ofte navne efter den cyklus, de benytter, fx Carnot-cyklusen, eller efter deres konstruktion og anvendelse, fx benzin-, turbine- eller dampmotorer. Nogle motorer producerer varmen internt (forbrændingsmotorer), mens andre optager varme fra en ekstern kilde (f.eks. damp- og Stirlingmotorer). Desuden kan cyklussen være åben (arbejdsmediet udveksles med omgivelserne) eller lukket (arbejdsmediet cirkulerer indeni).
Hvordan en varmemotor virker
- Varmeoverførsel: En varm kilde tilfører varme til arbejdslegemet via forbrænding eller varmeveksling.
- Arbejdsstadier: Arbejdslegemet udvider sig eller skifter tilstand og driver en mekanisk enhed (piston, turbine), hvor en del af varmen omdannes til arbejde.
- Afgang af overskudsvarme: Den resterende varme bortledes til en koldere sænke.
Typiske termodynamiske cyklusser
- Carnot-cyklusen: Ideel, reversibel cyklus der sætter den teoretiske maksimumseffektivitet for en varmemaskine. Carnot-effektiviteten er η = 1 − T_kold / T_varm (temperaturer i Kelvin).
- Otto-cyklusen: Model for benzin (tændrør) forbrændingsmotorer; karakteriseret ved hurtig tænding og konstant volumen-forbrænding.
- Diesel-cyklusen: Model for dieselmotorer; kompressionstænding og ofte højere effektivitet ved lavt omdrejningstal.
- Brayton-cyklusen (gasturbine): Bruges i jetmotorer og kraftværker; arbejdsgassen komprimeres, opvarmes og ekspanderer i en turbine.
- Rankine-cyklusen (dampkraft): Bruger en arbejdsvæske (typisk vand) der fordamper, driver en turbine og kondenseres igen; almindelig i kraftværker.
- Stirling-cyklusen: Lukket cyklus med ekstern varmetilførsel; kendt for rolig drift og mulighed for høj effektivitet i praksis.
Åben vs. lukket cyklus; intern vs. ekstern forbrænding
- Åben cyklus: Arbejdsmediet (fx luft i en gasturbine) tilføres og udledes til omgivelserne.
- Lukket cyklus: Arbejdsmediet genbruges; varme tilføres/afledes gennem varmevekslere (fx Stirling, nogle dampanlæg).
- Intern forbrænding: Brændstof forbrændes direkte i arbejdslegemet (bilmotorer).
- Ekstern forbrænding: Varme leveres udefra til arbejdslegemet (dampkedler, Stirlingmotorer).
Effektivitet og begrænsninger
Effektiviteten af en varmemotor er begrænset af termodynamikkens anden hovedsætning. Selv ideelle maskiner kan ikke konvertere al tilført varme til arbejde; Carnot-effektiviteten angiver det teoretiske maksimum ud fra de to temperaturer. I praksis er faktiske motorer mindre effektive pga. friktion, varmeoverførselsbegrænsninger, ikke-reversibilitet og tab i komponenter.
Praktiske anvendelser og udvikling
- Transport: Forbrændingsmotorer (biler, skibe, visse tog) og gasturbiner (fly).
- Elproduktion: Dampkraftværker (Rankine), gasturbinekraftværker (Brayton) og kombinationsanlæg (combined cycle) der øger samlet effektivitet.
- Industri og fjernvarme: Cogeneration/CHP (samtidig el- og varmeproduktion) udnytter ellers tabt varme.
Miljø og effektivitetstiltag
Moderne tiltag fokuserer på at reducere brændstofforbrug og emissioner og at øge varmegenvindingen. Det inkluderer bedre forbrændingsstyring, turbinedesign, lavfriktionsmaterialer, avancerede varmevekslere og systemer til udnyttelse af lavtemperaturvarme.
Samlet set er varmemotoren et centralt teknisk begreb med mange varianter tilpasset forskellige formål. Valg af cyklus, arbejdsmedium og konstruktion afgør ydelse, effektivitet og anvendelsesområde.
Figur 1: Diagram over varmemotor. TH er varmekilden og TC den kolde køleplade. QH er den varme, der strømmer ind i motoren. QC er spildvarmen, der går ind i den kolde køleplade. W er det nyttige arbejde, der kommer ud af motoren.
Oversigt
Når forskere studerer varmemotorer, kommer de på ideer til motorer, som ikke kan bygges. Disse kaldes ideelle motorer eller cyklusser. Rigtige varmemotorer forveksles ofte med de ideelle motorer eller kredsløb, som de forsøger at efterligne.
Når man beskriver den fysiske enhed, bruges typisk udtrykket "motor". Når man beskriver idealet, anvendes udtrykket "cyklus".
Man kan sige, at den termodynamiske cyklus er et idealtilfælde af den mekaniske motor. Man kan også sige, at modellen ikke helt svarer perfekt til den mekaniske motor. Der er imidlertid meget gavn af de forenklede modeller og de ideelle tilfælde, som de repræsenterer.
Generelt gælder det, at jo større temperaturforskellen er mellem den varme kilde og den kolde køleplade, jo mere effektiv er cyklussen eller motoren. På Jorden er den kolde side af enhver varmemotor begrænset til lufttemperaturen på det sted, hvor motoren befinder sig.
De fleste bestræbelser på at forbedre effektiviteten af varmemotorer går ud på at øge varmekildens temperatur, men ved meget høje temperaturer begynder motorens metal at blive blødt.
Effektiviteten af forskellige varmemotorer, der er foreslået eller anvendes i dag, varierer fra 3 % (97 % spildvarme) for OTEC-havkraftforslaget over 25 % for de fleste bilmotorer til 45 % for et superkritisk kulkraftværk og ca. 60 % for en dampkølet kombineret gasturbine. Alle disse processer får deres effektivitet (eller mangel på samme) på grund af temperaturfaldet over dem.
Den mindst effektive, OTEC, udnytter temperaturforskellen mellem havvand på overfladen og havvand fra dybet, en lille forskel på måske 25 grader Celsius, og derfor må effektiviteten være lav.
Den mest effektive gasturbine med kombineret cyklus forbrænder naturgas til opvarmning af luft til næsten 1530 grader Celsius, hvilket er en stor temperaturforskel på 1500 grader Celsius, og effektiviteten kan derfor være meget stor, når dampkølecyklussen tilføjes.
Hverdagens eksempler
Folk bruger for det meste varmemotorer, hvor varmen kommer fra en ild, der udvider en arbejdsvæske (normalt enten vand eller luft), og hvor varmesænkningen enten er et vandområde eller atmosfæren som i et køletårn.
De kendte motorer, der anvender ekspansion af opvarmede gasser, er dampmaskinen, dieselmotoren og benzinmotoren i en bil.
Stirling-motoren er meget sjældnere, men findes i små modeller, der kan drives af varmen fra en hånd.
En slags legetøjsvarmemotor er den drikkende fugl.
En bimetalstrimmel er en anordning, der omdanner temperatur til mekanisk bevægelse, og som anvendes i termostater til at regulere temperaturen. Det er en varmemotor, der ikke bruger en væske eller gas.
Relaterede sider
- Varmepumpe
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er en varmemotor inden for teknik og termodynamik?
A: En varmemotor er en anordning, der omdanner varmeenergi til mekanisk arbejde ved at udnytte temperaturforskellen mellem en varm "kilde" og en kold "sænkekilde".
Spørgsmål: Hvordan fungerer en varmemotor?
A: Varmen overføres fra kilden gennem motorens arbejdslegeme til sænkekammeret, og i denne proces omdannes noget af varmen til arbejde ved hjælp af egenskaberne ved gassen eller væsken i motoren.
Sp: Hvilke termodynamiske kredsløb er forbundet med varmemotorer?
Svar: Der findes mange slags varmemotorer, hver med en specifik termodynamisk cyklus. De er opkaldt efter den termodynamiske cyklus, de anvender, f.eks. Carnot-cyklusen.
Spørgsmål: Hvad er nogle eksempler på varmemotorer, der er opkaldt efter dagligdags genstande?
A: Nogle eksempler på varmemotorer, der er opkaldt efter dagligdags genstande, er benzin- og benzinmotorer, turbinemotorer og dampmaskiner.
Spørgsmål: Hvordan genererer forbrændingsmotorer varme?
Svar: Forbrændingsmotorer genererer varme i selve motoren.
Spørgsmål: Kan varmemotorer være åbne for luften?
A: Ja, varmemotorer kan være åbne for luften eller forseglede og lukkede mod det fri. Dette kaldes en åben eller lukket cyklus.
Spørgsmål: Optager alle varmemotorer varme fra en ekstern kilde?
A: Nej, mens nogle varmemotorer kan optage varme fra en ekstern kilde, kan andre generere varme i selve motoren.
Søge