Inžinerijoje ir termodinamikoje šilumos variklis šilumos energiją paverčia mechaniniu darbu, naudodamas temperatūrų skirtumą tarp karšto "šaltinio" ir šalto "kriauklės". Šiluma perduodama iš šaltinio per variklio "darbinį korpusą" į "kriauklę", o šio proceso metu dalis šilumos virsta darbu, panaudojant variklyje esančių dujų ar skysčio savybes.

Yra daug šilumos variklių rūšių. Kiekvienas jų turi termodinaminį ciklą. Šiluminiai varikliai dažnai pavadinami pagal juose naudojamą termodinaminį ciklą, pavyzdžiui, Karno ciklas. Jie dažnai pasirenka kasdienius pavadinimus, pavyzdžiui, benzininiai / benzininiai, turbininiai arba garo varikliai.

Vidaus degimo varikliuose šiluma susidaro pačiame variklyje. Kiti šiluminiai varikliai gali absorbuoti šilumą iš išorinio šaltinio. Šiluminiai varikliai gali būti atviri orui arba sandarūs ir uždari nuo išorės (tai vadinama atviru arba uždaru ciklu).

Veikimo principas trumpai

Šiluminio variklio pagrindas – termodinaminių procesų seka (pakėlimas ir atleidimas slėgio/temperatūros), kuri leidžia darbinės medžiagos (dujų ar skysčio) energiją paversti mechanišku judesiu. Pagrindiniai žingsniai yra:

  • šilumos priėmimas iš karšto šaltinio;
  • dalis priimtos šilumos virsta mechaniniu darbu (pvz., stūmokliui stumiant arba turbinos mentims suktis);
  • likusi šiluma pašalinama į šaltąją kriauklę;
  • darbinė medžiaga atkuria pradinę būseną ir ciklas kartojasi.

Pagrindiniai šiluminių variklių tipai

  • Vidaus degimo varikliai (benzininiai, dyzeliniai) – degimo procesas vyksta variklio viduje; dažnai naudojami automobiliuose ir kitame transporte.
  • Garo varikliai (Rankine ciklas) – darbinė terpė yra garas; naudojami elektrinėse su garo turbinais ir pramonėje.
  • Dujos turbinos (Brayton arba Joule ciklas) – veikiančios aukštos temperatūros dujos suka turbinas; taikymas – elektros gamyba, reaktyviniai varikliai.
  • Stirlingo variklis – uždaro ciklo variklis, kur darbinė terpė šildoma ir aušinama išoriniame šaltinyje; pasižymi tylumu ir galimu aukštu efektyvumu žemesnėmis apkrovomis.
  • Rankine–Stirling ir kiti deriniai – regeneracinės arba atstatomosios schemos, skirtos efektyvumo didinimui ar specifiniams atvejams (pvz., kogeneracija).

Termodinaminiai ciklai ir efektyvumas

Dažnai skiriami idealūs ciklai: Karno, Otto, Diesel, Brayton, Rankine. Idealaus Karno ciklo šiluminis efektyvumas yra teorinis maksimumas tarp dviejų temperatūrų ir skaičiuojamas formule:

eta = 1 - T_c / T_h (temperatūros Kelvinais). Tai reiškia, kad net idealiose sąlygose efektyvumas priklauso tik nuo karštojo ir šaltojo rezervuarų temperatūrų — kuo didesnis skirtumas, tuo didesnis įmanomas efektyvumas.

Realūs varikliai turi papildomų nuostolių: trintis, šilumos nuostoliai per šilumokaičius, degimo netobulumai, netolygus darbinių terpės srautas ir pan., todėl realus efektyvumas yra mažesnis už idealų.

Atviri ir uždari ciklai

Atviro ciklo varikliuose darbinė terpė pakeičiama tarp įleidimo ir išmetimo (pvz., vidaus degimo variklis). Uždari ciklai naudoja uždarą darbinės terpės apyvartą per šilumokaičius (pvz., Stirlingo variklis, kai kurios hidrotermalinių stotelių konfigūracijos).

Naudojimas ir praktiniai pavyzdžiai

  • Transportas: automobilių, sunkvežimių, laivų vidaus degimo varikliai;
  • Energetika: garo ir dujų turbinos elektrinėse;
  • Pramonė: mechaniniai varikliai, kuriems reikalingas didelis momentas ar aukšta galia;
  • Šilumos atkūrimas: kogeneracijos (CHP) įrenginiai, kurie gamina elektros energiją ir šilumą pastatų šildymui;
  • Specializuoti prietaisai: kosminiai varikliai, mikrovarikliai ir laboratoriniai Stirlingo įrenginiai.

Aplinkosauga ir tobulinimo kryptys

Siekiant mažinti teršalų išmetimą ir padidinti efektyvumą, taikomi keli sprendimai:

  • degimo procesų optimizavimas ir išmetamųjų dujų valymas;
  • šilumos atgavimas (rekuperacija) iš išmetamųjų dujų;
  • perėjimas prie švaresnių degalų arba elektrinių variklių hibridizuojant sistemas;
  • modernios medžiagos ir aukštos temperatūros medžiagos, leidžiančios veikti aukštesnėse temperatūrose su didesniu efektyvumu.

Trumpa santrauka

Šiluminiai varikliai yra esminė technikos dalis, leidžianti paversti šilumą mechaniniu darbu. Jų įvairovė ir taikymas labai platus: nuo automobilių variklių iki elektros gamybos stočių. Efektyvumas ribojamas termodinamikos dėsnių ir realių nuostolių, todėl inžinieriai ieško sprendimų, kaip sumažinti nuostolius bei sumažinti poveikį aplinkai.