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.
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.
Puhtaasti kaasuprosessit.
Näissä työkierroissa väliaine pysyy kaasumaisena ilman faasimuutoksia:
Jäähdytyskoneiden työkierrot.
Jäähdytyskone on lämpöpumppu eli käänteisesti toimiva lämpövoimakone, jossa tehdään työtä lämpötilaeron saavuttamiseksi. Monia lämpövoimakoneiden työkiertoja voidaan käyttää jäähdyttämiseen paitsi polttomoottorien.