In der Thermodynamik und im Ingenieurwesen ist eine Wärmekraftmaschine ein System, das Wärme oder thermische Energie - und chemische Energie - in mechanische Energie umwandelt, die dann für mechanische Arbeit verwendet werden kann. [1][2] Dies tut es dies dadurch, dass ein Arbeitsstoff von einer höheren Zustandstemperatur auf eine niedrigere Zustandstemperatur gebracht wird. Eine Wärmequelle erzeugt Wärmeenergie, die den Arbeitsstoff in den Hochtemperaturzustand bringt. Die Arbeitssubstanz erzeugt Arbeit im Arbeitskörper des Motors, wobei Wärme auf die kältere Senke übertragen wird, bis sie einen niedrigen Temperaturzustand erreicht. Während dieses Prozesses wird ein Teil der thermischen Energie in Arbeit umgewandelt, indem die Eigenschaften des Arbeitsstoffs genutzt werden. Die Arbeitssubstanz kann ein beliebiges System mit einer Wärmekapazität ungleich Null sein, ist jedoch normalerweise ein Gas oder eine Flüssigkeit. Während dieses Vorgangs geht viel Wärme an die Umgebung verloren und kann nicht in Arbeit umgewandelt werden.
Im Allgemeinen wandelt ein Motor Energie in mechanische Arbeit um. Wärmekraftmaschinen unterscheiden sich von anderen Motortypen dadurch, dass ihr Wirkungsgrad durch Carnots Theorem grundlegend eingeschränkt wird. [3] Obwohl diese Wirkungsgradbegrenzung ein Nachteil sein kann, besteht der Vorteil von Wärmekraftmaschinen darin, dass die meisten Energieformen leicht umgewandelt werden können Wärme durch Prozesse wie exotherme Reaktionen (wie Verbrennung), Absorption von Licht oder energetischen Partikeln, Reibung, Dissipation und Widerstand. Da die Wärmequelle, die dem Motor Wärmeenergie zuführt, somit mit nahezu jeder Art von Energie versorgt werden kann, sind Wärmekraftmaschinen sehr vielseitig und können vielseitig eingesetzt werden.
Wärmekraftmaschinen werden oft mit den Zyklen verwechselt, die sie zu implementieren versuchen. Typischerweise wird der Begriff "Motor" für ein physisches Gerät und "Zyklus" für das Modell verwendet.
Überblick [ edit ]
In der Thermodynamik werden Wärmekraftmaschinen häufig unter Verwendung eines Standard-Konstruktionsmodells wie dem Otto-Zyklus modelliert. Das theoretische Modell kann mithilfe von Tools wie einem Indikatordiagramm mit tatsächlichen Daten einer laufenden Engine verfeinert und erweitert werden. Da nur wenige Implementierungen von Wärmekraftmaschinen genau ihren zugrunde liegenden thermodynamischen Zyklen entsprechen, könnte man sagen, dass ein thermodynamischer Zyklus der ideale Fall eines mechanischen Motors ist. In jedem Fall erfordert ein umfassendes Verständnis eines Motors und seiner Effizienz ein gutes Verständnis des (möglicherweise vereinfachten oder idealisierten) theoretischen Modells, der praktischen Nuancen eines tatsächlichen mechanischen Motors und der Diskrepanzen zwischen den beiden.
Im Allgemeinen ist der potentielle thermische Wirkungsgrad des Zyklus umso größer, je größer der Temperaturunterschied zwischen der heißen Quelle und der kalten Senke ist. Auf der Erde ist die kalte Seite einer Wärmekraftmaschine darauf beschränkt, nahe der Umgebungstemperatur der Umgebung zu sein oder nicht viel weniger als 300 Kelvin, so dass sich die meisten Bemühungen, die thermodynamischen Wirkungsgrade verschiedener Wärmekraftmaschinen zu verbessern, auf die Erhöhung der Temperatur der Brennkraftmaschine konzentrieren Quelle innerhalb der Materialgrenzen. Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (den kein Motor je erreicht hat) ist gleich der Temperaturdifferenz zwischen heißem und kaltem Ende, geteilt durch die Temperatur am heißen Ende, ausgedrückt als absolute Temperaturen (in Kelvin).
Der Wirkungsgrad verschiedener heute vorgeschlagener oder verwendeter Wärmekraftmaschinen hat einen großen Bereich:
Alle diese Prozesse gewinnen ihre Effizienz (oder ihr Fehlen) durch den Temperaturabfall über sie hinweg. Signifikante Energie kann für Zusatzgeräte wie Pumpen verwendet werden, was die Effizienz effektiv verringert.
Alltägliche Beispiele [ edit ]
Beispiele für alltägliche Wärmekraftmaschinen sind die Dampfmaschine und die Brennkraftmaschine. Der Stirlingmotor ist auch eine Wärmekraftmaschine sowie das Vogeltrinkspielzeug. Alle diese Wärmekraftmaschinen werden durch die Expansion von erwärmten Gasen angetrieben.
Beispiele für Wärmekraftmaschinen [ edit ]
Es ist wichtig anzumerken, dass einige Zyklen zwar einen typischen Verbrennungsort (intern oder extern) haben, sie können jedoch häufig zusammen mit anderen implementiert werden . Beispielsweise entwickelte John Ericsson [7] einen extern beheizten Motor, der in einem Zyklus läuft, der dem früheren Dieselzyklus sehr ähnlich ist. Darüber hinaus können extern beheizte Motoren häufig in offenen oder geschlossenen Zyklen eingesetzt werden.
Wärmemotor der Erde [ edit ]
Erdatmosphäre und Hydrosphäre - der Wärmemotor der Erde - sind gekoppelte Prozesse, durch die Solarwärme-Ungleichgewichte durch Verdampfung von Oberflächenwasser, Konvektion, Regen, ständig ausgeglichen werden. Winde und Ozeanzirkulation bei der Verteilung von Wärme um den Globus [8]
Das Hadley-System ist ein Beispiel für eine Wärmekraftmaschine. Die Hadley-Zirkulation wird durch das Aufsteigen von warmer und feuchter Luft im Äquatorbereich identifiziert, wobei kalte Luft in den Subtropen einer thermisch angetriebenen direkten Zirkulation entspricht, was zu einer Nettoproduktion kinetischer Energie führt. [9]
Phasenwechsel edit ]
In diesen Zyklen und Motoren sind die Arbeitsflüssigkeiten Gase und Flüssigkeiten. Der Motor wandelt das Arbeitsfluid von einem Gas in eine Flüssigkeit, von Flüssigkeit in Gas oder beides um, wobei Arbeit durch die Fluidexpansion oder -kompression erzeugt wird.
Nur-Gas-Zyklen [ edit ]
In diesen Zyklen und Motoren ist das Arbeitsfluid immer ein Gas (d. H. Es gibt keine Phasenänderung):
Nur flüssiger Zyklus [ edit ]
In diesen Zyklen und Motoren ist das Arbeitsfluid immer flüssig:
Elektronenzyklen [ bearbeiten ]
Magnetische Zyklen [ bearbeiten ]
Für die Kühlung verwendete Kreisläufe []]
Ein Haushaltskühlgerät ist ein Beispiel für eine Wärmepumpe: eine Wärmekraftmaschine in umgekehrter Richtung. Arbeit wird verwendet, um ein Wärmedifferential zu erzeugen. Viele Zyklen können in umgekehrter Richtung laufen, um die Wärme von der kalten Seite zur heißen Seite zu leiten, wodurch die kalte Seite kühler und die heiße Seite heißer wird. Versionen dieser Zyklen mit Verbrennungsmotor sind ihrer Natur nach nicht umkehrbar.
Kühlzyklen umfassen:
Verdampfungswärmekraftmaschinen [ edit ]
Die Barton-Verdampfungsmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, die auf einem Kreislauf basiert, der Energie und gekühlte feuchte Luft aus der Verdampfung von Wasser in heiße trockene Luft erzeugt.
Mesoskopische Wärmekraftmaschinen [ edit ]
Mesoskopische Wärmekraftmaschinen sind nanoskalige Geräte, die dazu dienen können, Wärmeflüsse zu verarbeiten und nützliche Arbeiten in kleinen Maßstäben auszuführen. Mögliche Anwendungen umfassen z. elektrische Kühlgeräte. Bei solchen mesoskopischen Wärmekraftmaschinen schwankt die Arbeit pro Betriebszyklus aufgrund von thermischem Rauschen. Es gibt eine exakte Gleichheit, die den Durchschnitt der Exponenten der Arbeit einer Wärmekraftmaschine und die Wärmeübertragung aus dem heißeren Wärmebad betrifft. [12] Diese Beziehung verwandelt die Carnot-Ungleichung in eine exakte Gleichheit.
Effizienz [ edit ]
Die Effizienz einer Wärmekraftmaschine gibt an, wie viel nützliche Arbeit für eine gegebene Menge an Wärmeenergieeintrag abgegeben wird.
Aus den Gesetzen der Thermodynamik nach einem abgeschlossenen Zyklus:
- wobei
- ist die aus der Engine extrahierte Arbeit. (Es ist negativ, da die Arbeit durch den Motor ausgeführt wurde.)
- Wärmeenergie aus dem Hochtemperatursystem. (Es ist negativ, da der Quelle Wärme entzogen wird, daher ist positiv.)
- ist die Hitze Energie, die an das kalte Temperatursystem geliefert wird. (Dies ist positiv, da der Senke Wärme hinzugefügt wird.)
Mit anderen Worten, eine Wärmekraftmaschine absorbiert Wärmeenergie von der Hochtemperaturwärmequelle, wandelt einen Teil davon in nützliche Arbeit um und liefert den Rest der Wärmesenke mit kalter Temperatur .
Im Allgemeinen wird der Wirkungsgrad eines bestimmten Wärmeübertragungsprozesses (sei es ein Kühlschrank, eine Wärmepumpe oder ein Motor) informell durch das Verhältnis von "Was Sie herausbekommen" und "Was Sie eingeben" definiert.
Im Falle eines Motors möchte man Arbeit abbauen und setzt eine Wärmeübertragung ein.
The ] theoretisch Der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine hängt nur von den Temperaturen ab, zwischen denen sie arbeitet. Diese Effizienz wird normalerweise unter Verwendung einer idealen imaginären Wärmekraftmaschine wie der Carnot-Wärmekraftmaschine abgeleitet, obwohl andere Motoren, die unterschiedliche Zyklen verwenden, auch eine maximale Effizienz erreichen können. Mathematisch ist dies darauf zurückzuführen, dass bei reversiblen Prozessen die Entropieänderung des kalten Reservoirs das Negativ des heißen Reservoirs ist (dh ), wobei die Gesamtänderung der Entropie auf Null gehalten wird. Somit:
wobei ist die absolute Temperatur der heißen Quelle und das der kalten Senke, normalerweise in Kelvin gemessen. Man beachte, dass positiv ist, während ist negativ; Bei jedem reversiblen Arbeitsextraktionsprozess wird die Entropie insgesamt nicht erhöht, sondern sie wird von einem heißen System mit hoher Entropie in ein kaltes System mit niedriger Entropie verschoben, wodurch die Entropie der Wärmequelle verringert und die Wärme erhöht wird sinken.
Die Begründung dahinter, dass die maximale Effizienz die folgende ist, lautet wie folgt. Es wird zunächst davon ausgegangen, dass wenn eine effizientere Wärmekraftmaschine als eine Carnot-Maschine möglich ist, diese als Wärmepumpe rückwärts angetrieben werden könnte. Eine mathematische Analyse kann verwendet werden, um zu zeigen, dass diese angenommene Kombination zu einer Nettoentnahme der Entropie führen würde. Da dies durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik statistisch gesehen unwahrscheinlich ist, ist die Carnot-Effizienz eine theoretische Obergrenze für die zuverlässige Effizienz des thermodynamischen Zyklus von und .
Empirisch wurde bisher noch nie gezeigt, dass eine Wärmekraftmaschine mit einer höheren Effizienz als eine Carnot-Wärmekraftmaschine läuft.
Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen Variationen der Carnot-Zykluseffizienz. Abbildung 2 zeigt, wie sich der Wirkungsgrad mit einer Erhöhung der Wärmezufuhrtemperatur für eine konstante Einlasstemperatur des Verdichters ändert. Fig. 3 zeigt, wie sich der Wirkungsgrad mit einer Erhöhung der Wärmeabfuhrtemperatur für eine konstante Turbineneinlasstemperatur ändert.
 Abbildung 2: Carnot-Kreislaufeffizienz bei sich ändernder Wärmezufuhrtemperatur. |  Abbildung 3: Carnot-Kreislaufeffizienz bei sich ändernder Wärmeableitungstemperatur. |
Endoreversible-Wärmekraftmaschinen []
] Der höchste Carnot-Wirkungsgrad als Kriterium für die Leistung von Wärmekraftmaschinen ist die Tatsache, dass jeder maximal effiziente Carnot-Zyklus naturgemäß bei einem unendlich kleinen Temperaturgradienten arbeiten muss. Dies liegt daran, dass jegliche Übertragung von Wärme zwischen zwei Körpern bei unterschiedlichen Temperaturen irreversibel ist, und daher gilt der Ausdruck der Carnot-Effizienz nur in der infinitesimalen Grenze. Das Hauptproblem dabei ist, dass das Ziel der meisten Wärmekraftmaschinen darin besteht, irgendeine Art von Leistung auszugeben, und unendlich kleine Leistung ist normalerweise nicht das, was gesucht wird.
Ein anderes Maß für den idealen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen geben Überlegungen zur endoreversiblen Thermodynamik an, wobei der Zyklus dem Carnot-Zyklus entspricht, mit der Ausnahme, dass die beiden Prozesse der Wärmeübertragung nicht reversibel sind (Callen 1985). :
- (Hinweis : Einheiten K oder ° R)
Dieses Modell kann besser vorhersagen, wie gut reale Wärmekraftmaschinen funktionieren können (Callen 1985, siehe auch endoreversible Thermodynamik):
Wie gezeigt, modelliert die endoreversible Effizienz die beobachtete deutlich.
Geschichte [ edit ]
Wärmekraftmaschinen sind seit der Antike bekannt, wurden jedoch erst zur Zeit der industriellen Revolution im 18. Jahrhundert in nützliche Geräte umgewandelt. Sie werden bis heute weiterentwickelt.
Verbesserungen der Wärmekraftmaschine [ edit ]
Ingenieure haben die verschiedenen Wärmekraftmaschinenzyklen ausführlich untersucht, um die Menge an nutzbarer Arbeit zu verbessern, die sie aus einer gegebenen Stromquelle ziehen können. Das Carnot-Zykluslimit kann mit keinem gasbasierten Zyklus erreicht werden. Die Ingenieure haben jedoch mindestens zwei Möglichkeiten gefunden, um dieses Limit zu erreichen, und einen Weg, die Effizienz zu verbessern, ohne Regeln zu ändern.
- Erhöhen Sie die Temperaturdifferenz in der Wärmekraftmaschine. Am einfachsten ist es, die Heißseitentemperatur zu erhöhen. Dies ist der Ansatz, der in modernen Kombikraftwerksturbinen verwendet wird. Unglücklicherweise beschränken physikalische Grenzen (wie der Schmelzpunkt der zum Bau des Motors verwendeten Materialien) und Umweltbedenken hinsichtlich der Produktion von NO x die Höchsttemperatur von funktionsfähigen Wärmemotoren. Moderne Gasturbinen laufen mit Temperaturen, die so hoch wie möglich sind, innerhalb des Temperaturbereichs, der erforderlich ist, um eine akzeptable NO x -Ausgabe [ erforderliche Zitierung zu erreichen. Eine andere Möglichkeit zur Steigerung der Effizienz besteht darin, die Ausgangstemperatur zu senken. Eine neue Methode besteht darin, gemischte chemische Arbeitsflüssigkeiten zu verwenden und dann das veränderte Verhalten der Mischungen zu nutzen. Einer der bekanntesten ist der sogenannte Kalina-Zyklus, bei dem Ammoniak und Wasser im Verhältnis 70/30 als Arbeitsfluid verwendet werden. Durch diese Mischung kann der Kreislauf bei wesentlich niedrigeren Temperaturen Nutzleistung erzeugen als die meisten anderen Verfahren.
- Nutzung der physikalischen Eigenschaften des Arbeitsmediums. Die gebräuchlichste Ausbeutung ist die Verwendung von Wasser oberhalb des sogenannten kritischen Punktes oder des sogenannten überkritischen Dampfes. Das Verhalten von Flüssigkeiten über ihrem kritischen Punkt ändert sich radikal, und mit Materialien wie Wasser und Kohlendioxid ist es möglich, diese Verhaltensänderungen zu nutzen, um einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad aus der Wärmekraftmaschine herauszuholen, selbst wenn ein herkömmlicher Brayton oder Rankine verwendet wird Zyklus. Ein neueres und vielversprechendes Material für solche Anwendungen ist CO 2 . SO 2 und Xenon wurden ebenfalls für solche Anwendungen in Betracht gezogen, obwohl SO 2 toxisch ist.
- Nutzen Sie die chemischen Eigenschaften des Arbeitsfluids. Ein relativ neuer und neuer Ansatz ist die Verwendung exotischer Arbeitsflüssigkeiten mit vorteilhaften chemischen Eigenschaften. Eines davon ist Stickstoffdioxid (NO 2 ), ein toxischer Bestandteil des Smogs, der ein natürliches Dimer als Distickeltetraoxid aufweist (N 2 O 4 ). . Bei niedriger Temperatur wird der N 2 O 4 komprimiert und dann erhitzt. Die steigende Temperatur bewirkt, dass jedes N 2 O 4 in zwei NO 2 Moleküle zerbricht. Dies verringert das Molekulargewicht des Arbeitsfluids, was die Effizienz des Zyklus drastisch erhöht. Nachdem sich das NO 2 durch die Turbine ausgebreitet hat, wird es durch den Kühlkörper gekühlt, wodurch es zu einer Rekombination von N 2 O 4 wird. Diese wird dann vom Kompressor für einen weiteren Zyklus zurückgeführt. Solche Arten wie Aluminiumbromid (Al 2 Br 6 ), NOCl und Ga 2 I 6 wurden alle für solche Zwecke untersucht . Bis heute haben ihre Nachteile ihren Einsatz trotz der erzielbaren Effizienzgewinne nicht garantiert. [14]
Wärmekraftmaschinenprozesse [ edit ]
Jeder Prozess ist einer der folgenden:
- isotherm (bei konstanter Temperatur, wobei Wärme von einer Wärmequelle oder Wärmesenke zu- oder abgeführt wird)
- isobar (bei konstantem Druck)
- isometrisch / isochor (bei konstantem Volumen), auch als isovolumetrisch bezeichnet
- adiabatisch (während des adiabatischen Prozesses wird dem System keine Wärme hinzugefügt oder entzogen)
- Isentrope (reversibler adiabatischer Prozess, während des isentropischen Prozesses wird keine Wärme hinzugefügt oder entfernt)
Siehe auch [] ]
Referenzen [ edit ]
- ^ Grundlagen der klassischen Thermodynamik 3. Aufl. p. 159, (1985) von GJ Van Wylen und RE Sonntag: "Eine Wärmekraftmaschine kann als eine Vorrichtung definiert werden, die in einem thermodynamischen Zyklus arbeitet und eine gewisse positive Nettowirkung als Ergebnis der Wärmeübertragung von einem Hochtemperaturkörper leistet und zu einem Tieftemperaturkörper: Oft wird der Begriff Wärmekraftmaschine in einem weiteren Sinn verwendet, um alle Geräte zu umfassen, die entweder durch Wärmeübertragung oder Verbrennung Arbeit erzeugen, auch wenn das Gerät nicht in einem thermodynamischen Kreislauf arbeitet Der Motor und die Gasturbine sind Beispiele für solche Vorrichtungen, und die Bezeichnung dieser Wärmekraftmaschinen ist eine akzeptable Verwendung dieses Begriffs. "
- 1 (2007) von James R. Senf: "Wärmekraftmaschinen dienen der Bereitstellung mechanischer Energie aus thermischer Energie."
- ^ Thermophysik: Entropie und freie Energien von Joon Chang Lee (2002), Anhang A, p. 183: "Eine Wärmekraftmaschine absorbiert Energie von einer Wärmequelle und wandelt sie dann in Arbeit für uns um ... Wenn der Motor Wärmeenergie absorbiert, kommt die absorbierte Wärmeenergie mit Entropie." (Wärmeenergie ), "Wenn der Motor dagegen arbeitet, verlässt keine Entropie den Motor. Dies ist problematisch. Wir möchten, dass der Motor den Vorgang immer wieder wiederholt mit einer stetigen Arbeitsquelle ... Um dies zu tun, muss die Arbeitssubstanz im Inneren des Motors nach einem Zyklus in den ursprünglichen thermodynamischen Zustand zurückkehren, wodurch die verbleibende Entropie entfernt werden muss. Der Motor kann dies nur auf eine Weise tun Ein Teil der aufgenommenen Wärmeenergie muss abfließen, ohne sie in Arbeit umzuwandeln. Daher kann der Motor nicht die gesamte Eingangsenergie in Arbeit umwandeln! "
- ^ Eman, Mahmod Mohamed (Juni 2013). "Experimentelle Untersuchungen an einem Stehwellen-Thermoakustikmotor" (PDF) . ResearchGate . Gizeh, Ägypten: Universität Kairo . Abgerufen 21. Januar 2018 .
- ^ Wohin die Energie geht: Benzinfahrzeuge, US-Energieteam
- Langston, Lee S. " Effizienz durch die Zahlen ". WIE ICH. Nach dem Original am 16. Juni 2009 archiviert.
- ^ "Ericsson's 1833 caloric engine". hotairengines.org
- ^ Lindsey, Rebecca (2009). "Klima und Energiehaushalt der Erde". NASA Earth Observatory .
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- ^ "Konzepte von Kernreaktoren und thermodynamischen Zyklen" (PDF) . Archiviert aus dem Original (PDF) am 18. März 2009 . 22. März 2012 .
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