Moteur thermique

Un moteur thermique de est un dispositif physique ou théorique qui convertit l'énergie thermique en rendement mécanique. Le rendement mécanique s'appelle le travail , et l'absorption d'énergie thermique s'appelle la chaleur . Les moteurs thermiques tournent typiquement sur un cycle thermo-dynamique spécifique. Des moteurs thermiques sont souvent baptisés du nom du cycle thermo-dynamique qu'ils sont modelés près. Ils prennent souvent des noms alternatifs, tels que l'essence/essence, la turbine, ou les machines à vapeur. Les moteurs thermiques peuvent produire de la chaleur à l'intérieur du moteur elle-même ou il peut absorber la chaleur d'une source extérieure. Les moteurs thermiques peuvent être ouverts d'air atmosphérique ou scellés et fermés au loin à l'extérieur (cycle ouvert ou fermé).

En technologie et thermodynamique , un moteur thermique de exécute la conversion de l'énergie de la chaleur en travail mécanique en exploitant le gradient de la température entre un " chaud ; source" ; et un " froid ; " de l'évier ;. La chaleur est transféré par de la source, par le " ; " fonctionnant du corps ; du moteur, en évier, et dans ce processus une partie de la chaleur est convertie en travail en exploitant les propriétés d'une substance fonctionnante (habituellement un gaz ou un liquide).

Vue d'ensemble

Des moteurs thermiques sont souvent confondus avec les cycles qu'ils essayent d'imiter. Typiquement en décrivant le dispositif physique le terme « moteur » est employé. En décrivant le modèle le terme « cycle » est employé.

En thermodynamique , des moteurs thermiques sont souvent modelés using un modèle standard de technologie tel que le cycle d'Otto . Le modèle théorique peut être raffiné et augmenté avec des données réelles d'un moteur d'opération, using des outils tels qu'un diagramme d'indicateur de . Depuis très peu de réalisations réelles des moteurs thermiques assortir exactement leurs cycles thermo-dynamiques étant à la base, un pourrait dire qu'un cycle thermo-dynamique est un cas idéal d'un moteur mécanique. En tous cas, entièrement la compréhension d'un moteur et de son efficacité exige gagner un bon arrangement (probablement simplifié ou idéalisé) du modèle théorique, les nuances pratiques d'un moteur mécanique réel, et les anomalies entre les deux.

D'une façon générale, plus la différence dans la température entre la source chaude et l'évier froid est grande, plus est l'efficacité thermique potentiel du cycle grande. Sur terre, le côté froid de n'importe quel moteur thermique est limité à près de la température ambiante de l'environnement, ou inférieur pas beaucoup 300 le Kelvins ainsi la plupart des efforts d'améliorer les efficacités thermo-dynamiques de divers moteurs thermiques se concentrent sur augmenter la température de la source, dans des limites matérielles.

L'efficacité de divers moteurs thermiques a proposé ou a employé s'étend aujourd'hui de 3 pour cent (97 pour cent de chaleur résiduelle) pour la proposition de puissance d'océan du OTEC par 25 pour cent pour la plupart des moteurs de véhicule, à 45 pour cent pour une usine supercritique de charbon de , à environ 60 pour cent pour une turbine à gaz vapeur-refroidie de du cycle combiné . Tous ces processus gagnent leur efficacité (ou manquer en) due à la baisse de la température à travers eux.

OTEC emploie la différence de la température de l'eau d'océan sur la surface et l'eau d'océan des profondeurs, une petite différence de peut-être 25 degrés de Celsius, et ainsi l'efficacité doit être basse. Les turbines à gaz de cycle combiné utilisent les brûleurs à gaz normaux pour chauffer l'air pour s'approcher de 1530 degrés de Celsius, une différence de grands 1500 degrés Celsius, et ainsi l'efficacité peut être grande quand le cycle de vapeur-refroidissement est ajouté dedans.

Exemples journaliers

Les exemples des moteurs thermiques journaliers incluent : la machine à vapeur , le moteur diesel , et le moteur d'essence de (essence) dans une automobile . Un jouet commun qui est également un moteur thermique est un oiseau potable . Tous ces moteurs thermiques familiers sont actionnés par l'expansion des gaz heated. Les environnements généraux sont le radiateur, fournissant les gaz relativement frais qui, une fois de chauffage, augmentent rapidement pour conduire le mouvement mécanique du moteur.

Exemples des moteurs thermiques

Il est important de noter que bien que quelques cycles aient un endroit typique de combustion (external interne), ils souvent peuvent être mis en application comme autre cycle de combustion. Par exemple, le John Ericsson a développé un moteur thermique externe tournant sur un cycle infiniment comme le cycle diesel plus tôt. En outre, les moteurs thermiques extérieurement peuvent souvent être mis en application dans les cycles ouverts ou fermés.

À ce que ceci bout vers le bas est là sont les cycles thermo-dynamiques et un grand nombre de manières de les mettre en application avec les dispositifs mécaniques appelés les moteurs.

Cycles de changement de phase

Dans ces cycles et moteurs, les fluides de fonctionnement sont des gaz et des liquides. Le moteur convertit le fluide de fonctionnement d'un gaz en liquide.
Cycle de Rankine (machine à vapeur classique ) de
Cycle régénérateur (machine à vapeur de plus efficace que cycle de Rankine )
Vapeur au cycle liquide (oiseau potable , injecteur )
Liquide au cycle plein (&mdash de soulèvement de gel ; arroser changer de la glace en le liquide et le dos encore peut soulever la roche jusqu'à 60 M.)
Solide pour intoxiquer le cycle (&mdash de canon de glace sèche de ; La glace sèche sublime pour intoxiquer.)

Cycles de gaz seulement

Dans ces cycles et moteurs le fluide de fonctionnement sont toujours comme le gaz :
Cycle (moteur thermique de Carnot ) de Carnot de
Le Ericsson font un cycle (bateau calorique John Ericsson )
Cycle de Stirling (moteur de Stirling de , dispositifs thermoacoustic de )
Moteur à combustion interne (GLACE) :
Cycle d'Otto (par exemple moteur d'essence/essence de , moteur diesel à grande vitesse )
Cycle diesel (par exemple moteur diesel de à vitesse réduite)
Cycle (moteur d'Atkinson de d'Atkinson de )
Le cycle Brayton De ou le Ericsson du cycle de Joule de à l'origine font un cycle (turbine à gaz )
Cycle (par exemple, réacteur d'impulsion ) de Lenoir de
Cycle de Miller de

Cycles de liquide seulement

Dans ces cycles et moteurs le fluide de fonctionnement sont toujours comme le liquide :
Cycle de Stirling (moteur de Malone de )

Cycles d'électron

Thermoélectrique (effet de Peltier-Seebeck de )
Émission thermoïonique
Thermotunnel refroidissant

Cycles magnétiques

Moteur thermomagnétique (Tesla) de

Cycles utilisés pour la réfrigération

Un réfrigérateur est une pompe à chaleur : un moteur thermique à l'envers. Le travail est employé pour créer un différentiel de la chaleur. Beaucoup de cycles peuvent fonctionner à l'envers pour déplacer la chaleur du côté froid au côté chaud, rendant le refroidisseur latéral froid et le côté chaud plus chauds. Les versions de moteur à combustion interne de ces cycles sont, par leur nature, non réversible.
réfrigération de Vapeur-compression de
Stirling cryocooler
réfrigérateur de Gaz-absorption de
Machine de cycle d'air
Réfrigération de Vuilleumier de

Moteurs thermiques évaporatifs

Le moteur d'évaporation de Barton de est un moteur thermique basé sur un cycle produisant la puissance et l'air moite refroidi à partir de l'évaporation de l'eau dans l'air sec chaud.

Efficacité

L'efficacité d'un moteur thermique rapporte combien de puissance utile est produite pour une quantité donnée d'entrée d'énergie calorifique.

Des lois de la thermodynamique : dW de $de de \ = \ dQ_c \ - \ (- dQ_h) de$ où dW de $de = - PdV$ est le travail extrait à partir du moteur. (Il est négatif puisque le travail est fait par le moteur.) le dQ_h de $de = le T_hdS_h$ est l'énergie calorifique prise du système à hautes températures. (Il est négatif puisque la chaleur est extraite à partir de la source, par conséquent le $(- dQ_h)$ est positif.) le dQ_c de $de = le T_cdS_c$ est l'énergie calorifique fournie au système froid de la température. (Elle est positive puisque la chaleur est ajoutée à l'évier.)

En d'autres termes, un moteur thermique absorbe l'énergie calorifique de la source de chaleur à hautes températures, convertissant une partie de lui en travail utile et fournissant le repos au radiateur froid de la température.

Généralement l'efficacité d'un procédé donné de transfert de chaleur (si ce soit un réfrigérateur, une pompe à chaleur ou un moteur) est définie officieusement par le rapport du " ; ce qui vous get" ; au " ; ce qui vous avez mis in." ;

Dans le cas d'un moteur, on désire extraire le travail et met dans un transfert de chaleur. $de de \ = d'eta \ frac {- dW} {- dQ_h} = \ frac {- dQ_h - dQ_c} {- dQ_h} = 1 - \ dQ_h de frac {dQ_c} {-}$

L'efficacité maximum théorique du de n'importe quel moteur thermique dépend seulement des températures qu'elle fonctionne entre. Cette efficacité est habituellement dérivée using un moteur thermique imaginaire idéal tel que le moteur thermique de Carnot , bien que d'autres moteurs using différents cycles puissent également atteindre l'efficacité maximum. Mathématiquement, c'est parce que dans des processus réversibles du , le changement de l'entropie du réservoir froid est le négatif de cela du réservoir chaud (c., $dS_c = - dS_h$ ), gardant le changement global de l'entropie zéro. Ainsi : $\ eta_ \ texte de de {maximum} = 1 - \ frac {T_cdS_c} {- T_hdS_h} = 1 - \ frac {T_c} {T_h}$

là où $T_h$ est la température absolue de la source et du $T_c$ chauds qui de l'évier froid, habituellement mesurés dans le Kelvin . Noter que $dS_c$ est positif tandis que $dS_h$ est négatif ; dans n'importe quel processus de travailler-extraction réversible, l'entropie est non augmentée globale, mais plutôt est déplacée d'un système chaud (de haut-entropie) à un froid (bas-entropie une), diminuant l'entropie de la source de chaleur et augmentant cela du radiateur.

Le raisonnement derrière cet être l'efficacité maximale du va comme suit. On le suppose d'abord que si un moteur thermique plus efficace qu'un moteur de Carnot est possible, alors il pourrait être conduit à l'envers comme pompe à chaleur. L'analyse mathématique peut être employée pour prouver que cette combinaison assumée aurait comme conséquence une diminution nette de l'entropie . Puisque, par la loi de deuxièmes de la thermodynamique , ceci est interdit, l'efficacité de Carnot est une limite supérieure théorique sur l'efficacité du n'importe quel processus de .

Empiriquement, aucun moteur n'a été jamais montré pour tourner à une plus grande efficacité qu'un moteur thermique de cycle de Carnot.

Voici deux parcelles de terrain, schémas 2 et schémas 3, pour l'efficacité de cycle de Carnot. Une parcelle de terrain indique comment l'efficacité de cycle change avec une augmentation de la température d'addition de la chaleur pour une température d'admission de compresseur constante, alors que l'autre indique comment l'efficacité de cycle change avec une augmentation de la température de rejet de la chaleur pour une température constante d'admission de turbine.

D'autres critères d'exécution de moteur thermique

Un problème avec l'efficacité idéale de Carnot comme critère d'exécution de moteur thermique est le fait qui par sa nature, n'importe quel cycle maximal-efficace de Carnot doit fonctionner à un gradient de température infinitésimal. C'est parce que le n'importe quel transfert de de la chaleur entre deux corps aux températures différentes est irréversible, et donc l'expression d'efficacité de Carnot s'applique seulement dans la limite infinitésimale. Le problème majeur avec celui est que l'objet de la plupart des moteurs thermiques est de produire une certaine sorte de puissance, et la puissance infinitésimale n'est habituellement pas ce qui est cherché.

Une mesure différente d'efficacité de moteur thermique est indiquée par le Endoreversible de processus de , qui est identique au cycle de Carnot excepté parce que les deux processus du transfert de chaleur sont réversible du pas . Comme dérivé en Callen (1985), l'efficacité pour un tel processus est donnée par : ${\ frac {T_c} {T_h}}$ (note : K d'unités ou °R ) de

(Note : Cette équation est tout à fait fréquemment tracée à un papier par F. Ahlborn, journal américain de la physique, vol. Le livre par le Herbert Callen a probablement copié de ce document. Dans un exposé synoptique 1996 synoptique par le Adrian Bejan (J. 1191-1218, 1er février 1996), Adrian Bejan a précisé que cette équation a été également dérivée par P. Novikov plus tôt que Curzon et Ahlborn dans les années 50. Probablement, cette équation a été juste redécouverte par Curzon et Ahlborn en 1975. Par conséquent, quelques scientifiques appellent cette efficacité l'efficacité de Chambadal-Novikov-Curzon-Ahlborn.)

Ce modèle réalise un meilleur travail de prévoir à quel point les moteurs thermiques réels peuvent faire, comme peut être vu dans la table suivante (Callen) :

(Note : Cette table est apparue dans le papier par F. Ahlborn, journal américain de la physique, vol. Le livre par le Herbert Callen a probablement copié de ce document.)

Perfectionnements de moteur thermique

Les ingénieurs ont étudié les divers cycles de moteur thermique intensivement dans un effort d'améliorer la quantité de travail utilisable qu'ils pourraient extraire à partir d'une source d'énergie donnée. La limite de cycle de Carnot ne peut pas n'être atteinte avec aucun cycle gaz-basé, mais les ingénieurs ont établi au moins deux manières de circuler probablement cette limite, et one-way pour obtenir une meilleure efficacité sans ne plier aucune règle.

1) Augmenter la différence de la température dans le moteur thermique. La manière la plus simple de faire ceci est d'augmenter la température latérale chaude, et est l'approche utilisée dans des turbines à gaz modernes de combiner-cycle. Malheureusement, la production de NOx et les limites de matériel (fondant les lames de turbine de turbines) placent une limite dure à la façon dont chaud vous pouvez faire un moteur thermique réalisable. Les turbines à gaz modernes sont environ aussi chaudes qu'elles peuvent devenir et encore maintenir les niveaux acceptables de pollution de NOx. Une autre manière d'augmenter l'efficacité est d'abaisser la température de rendement. Une nouvelle méthode de faire ainsi est d'employer les fluides de fonctionnement chimiques mélangés, et puis exploite le comportement changeant des mélanges. Un des plus célèbre est le soi-disant cycle de Kalina, qui emploie un mélange de 70/30 de l'ammoniaque et de l'eau en tant que son fluide de fonctionnement. Ce mélange permet au cycle de développer la puissance utile à des températures considérablement plus basses que la plupart des autres processus.

2) Exploiter les propriétés physiques du fluide de fonctionnement. Le plus commun une telle exploit est l'utilisation de l'eau au-dessus du soi-disant point critique, ou soi-disant vapeur supercritique. Le comportement des fluides au-dessus de leur point critique change radicalement, et avec des matériaux tels que l'eau et l'anhydride carbonique il est possible d'exploiter ces changements du comportement pour extraire une plus grande efficacité thermo-dynamique à partir du moteur thermique, même si il emploie un Joule ou un cycle de Rankine assez conventionnel. Un plus nouveau et très prometteur matériel pour de telles applications est CO₂. SO₂ et xénon ont été également considérés pour de telles applications, bien que SO₂ soit peu un toxique pour les la plupart.

3) Exploiter les propriétés chimiques du fluide de fonctionnement. Une exploit assez nouvelle et originale est d'employer les fluides de fonctionnement exotiques avec les propriétés chimiques avantageuses. On tels est le bioxyde d'azote (NO₂), un composant toxique du brouillard enfumé, qui a un dimère normal comme tetraoxide de Di-azote (N₂O₄). À la basse température, le N₂O₄ est comprimé et alors de chauffage. La température croissante fait diviser à chacun N₂O₄ à part en deux molécules de NO₂. Ceci abaisse le poids moléculaire du fluide de fonctionnement, qui augmente rigoureusement l'efficacité du cycle. Une fois que le NO₂ a augmenté par la turbine, il est refroidi par le radiateur, qui le fait recombiner dans N₂O₄. Ceci est alors alimenté de nouveau au compresseur pour un autre cycle. Des espèces telles que le bromure en aluminium (Al₂Br₆), le NOCl, et le Ga₂I₆ tous ont été étudiées pour de tels usages. Jusqu'ici, leurs inconvénients n'ont pas justifié leur utilisation, en dépit des gains d'efficacité qui peuvent être réalisés.

Processus de moteur thermique

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