Lämpövoimakone

Lämpövoimakone on voimakone, jossa lämpöä muutetaan mekaaniseksi energiaksi. Lämpö tuotetaan useimmiten palamisen tuloksena, kuten polttomoottoreissa. Lämpö voidaan kuitenkin tuottaa muutenkin, esimerkiksi auringon avulla tai ydinenergialla. Yleinen periaate lämpövoimakoneissa on, että lämmöllä saadaan aikaan kaasun laajeneminen, joka sitten muutetaan mäntien tai turbiinien avulla mekaaniseksi liikkeeksi. Lämpövoimakoneiden työkiertoja on kuvattu useita, joista osa on vain teoreettisia.

Figure 1: Lämpövoimakoneen kaavio

Termodynaamisesti lämpövoimakone on termodynaaminen systeemi, joka muuttaa lämpöä mekaaniseksi työksi hyödyntäen lämpölähteen ja ympäristön lämpötilaeroa. Lämpö siirtyy lämmönsiirtimen ja moottorin työtilan kautta ympäristöön, jolloin osa lämmöstä saadaan muutettua mekaaniseksi työksi väliaineen, yleensä kaasun tai nesteen avulla. Lämpövoimakoneelle määritetään terminen hyötysuhde.

Yleistä

Lämpövoimakoneet ja teoreettiset työkierrot sekoitetaan usein. Olemassa olevaa konetta sanotaan moottoriksi, höyrykoneeksi tai -turbiiniksi. Teoreettisista malleista käytetään nimitystä työkierto, esimerkiksi otto-työkierto.

Termodynamiikassa lämpövoimakoneet usein kuvataan vakioituneina malleina, kuten otto-työkiertona. Teoreettista mallia voidaan tarkentaa ja todentaa toimivasta moottorista saadulla mittaustiedolla. Koska harvat toteutetut lämpövoimakoneet vastaavat täysin termodynaamisia mallejaan, voidaan sanoa termodynaamisen mallin olevan ideaalisen koneen työkierto. Joka tapauksessa lämpövoimakoneiden ymmärtäminen edellyttää teoreettisen (mahdollisesti yksinkertaistetun tai idealisoidun) mallin, käytännön mekaanisen toteutuksen erityispiirteiden ja näiden erojen ymmärtämistä.

Yleisesti voidaan todeta, että mitä suurempi lämpötilaero on lämpölähteen ja ympäristön välillä, sitä suurempi terminen hyötysuhde on saavutettavissa. Maapallolla ympäröivä lämpötila rajoittuu ympäristön lämpötilaan 300 K, joten termisen hyötysuhteen parantaminen keskittyy lämpölähteen lämpötilan nostamiseen rakennemateriaalien rajoissa. Lämpövoimakoneen maksimaalinen terminen hyötysuhde on verrannollinen maksimilämpötilalla jaettuun maksimilämpötilan ja loppulämpötilan erotukseen, kun kaikki lämpötilat on ilmaistu absoluuttisina asteina eli Kelvineinä.

Erilaisten esitettyjen tai olemassa olevien lämpövoimakoneiden hyötysuhde vaihtelee välillä 3 % (Merilämpövoimala, jossa siis 97 % hukkaa) bensiinikäyttöisten autojen 25 %, hiilivoimalaitosten 45 % ja kombivoimalaitosten 60 %. Kaikkien näiden prosessien tehokkuus perustuu niissä saavutettuun lämpötilan laskuun.

Merilämpövoimala hyödyntää meriveden pinnan ja syvän veden lämpötilaeroja, joten tehokkuuden täytyy olla alhainen. Kombivoimalaitoksessa maakaasulla saavutetaan 1 530 °C:n lämpötila ja saavutetaan lähes 1 500 °C:n lämpötilan pudotus, jolloin terminen hyötysuhde on hyvä.

Erilaisia lämpövoimakoneita

Faasimuutos-työkiertoja

Näissä työkierroissa väliaineena ovat neste ja kaasu. Kone hyödyntää nesteiden kaasuuntumiseen tarvittavaa lämpöä.

• Rankine-työkierto, (klassinen höyrykone)
• Regeneroiva työkierto, (Rankine-työkiertoa tehokkaampi höyrykone)
• Höyrystä nesteeksi -työkierto, (Juoppolintu; keinuva lasilintu, joka kastaa nokkaansa nesteeseen eräänlaisena ikiliikkujana, Injektori)
• Nesteestä kiinteäksi -työkierto, (Routa, joka nostaa kiviä.)
• Kiinteästä kaasuksi -työkierto (Kuivajäätykki; Kuivajää sublimoituu kaasuksi.)

Puhtaasti kaasuprosessit

Näissä työkierroissa väliaine pysyy kaasumaisena ilman faasimuutoksia:

• Carnot-työkierto on ideaalinen prosessi, jota parempaa ei voida tehdä.
• Ericsson-työkierto ulkoisesti kuumennettava kone
• Stirling-työkierto, lämpöakustiset laitteet)
• Polttomoottorit:
  • Otto-työkierto (Kaasu- ja bensiinimoottorit)
  • Diesel-työkierto (Dieselmoottorit)
  • Atkinson-työkierto on polttomoottori, jossa imuilma on normaalia pidempään auki. Tällöin saavutetaan parempi hyötysuhde, mutta heikompi vääntömomentti. Nykyaikaisissa hybridiautoissa hyödynnetään tätä.
  • Brayton-työkierto tai Joule-työkierto, alkujaan Ericsson-työkierto, (kaasuturbiini)
  • Lenoir-työkierto (sysäysputkimoottori)
  • Miller-työkierto

Sähköiset työkierrot

• lämpösähköinen työkierto
• Terminen emissio

Magneettiset työkierrot

• Lämpömagneettinen moottori, jota ehdotti Nikola Tesla. Siinä hyödynnetään magneettisuuden katoamista kuumista kappaleista. Kone on jäänyt teoreettiseksi.

Jäähdytyskoneiden työkierrot

Jäähdytyskone on lämpöpumppu eli käänteisesti toimiva lämpövoimakone, jossa tehdään työtä lämpötilaeron saavuttamiseksi. Monia lämpövoimakoneiden työkiertoja voidaan käyttää jäähdyttämiseen paitsi polttomoottorien.

• Höyrystin-kompressorijäähdytin, normaalit lämpöpumppu- ja jääkaappiratkaisut.
• Stirling-kryojäähdytin
• Absorptiopumppu

Aiheesta muualla

• Selvitys ORC (Organic Rankine Cycle) prosessin hyödyntäminen osana metsäteollisuuden tarvitsemia laitteita ja järjestelmiä, Loppuraportti, 24.11.2010^{[vanhentunut linkki]} (pdf)
• Video of Stirling engine running on dry ice (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)
• Heat Engine
• Webarchive backup: Refrigeration Cycle Citat: "...The refrigeration cycle is basically the Rankine cycle run in reverse..."
• Red Rock Energy Solar Heliostats: Heat Engine Projects Citat: "...Choosing a Heat Engine..."

• The gyroscope combustion motor (Arkistoitu – Internet Archive)
• The external combustion air engine
• Super-efficient Atkinson-Diesel Cycle (Arkistoitu – Internet Archive)
• Erilaisia lämpövoimakoneita esitelty laajemmin. Harrasteblogi