В техниката и термодинамиката топлинният двигател преобразува топлинната енергия в механична работа, като използва температурната разлика между горещ "източник" и студен "поглътител". Топлината се пренася от източника през "работното тяло" на двигателя до "поглътителя", като при този процес част от топлината се превръща в работа чрез използване на качествата на газа или течността в двигателя. Работното тяло може да бъде газ (например въздух или газове от горенето), пара или друг топлоносител — и в зависимост от това конструкцията и начинът на преобразуване се различават (цилиндър-поршнев механизъм, турбина и др.).

Съществуват много видове топлинни двигатели. Всеки от тях има термодинамичен цикъл, който описва последователността от процеси (нагряване, разширение, охлаждане, компресия), през които преминава работното тяло. Топлинните двигатели често се наричат по името на термодинамичния цикъл, който използват — например цикълът на Карно, цикълът на Отo (бензинови двигатели) или цикълът на Дизел. Те често приемат и популярни имена от ежедневието, като бензинови/бензинови, турбинни или парни двигатели.

Двигателите с вътрешно горене генерират топлина в самия двигател (чрез изгаряне на гориво). Други топлинни двигатели могат да абсорбират топлина от външен източник (например парни котли, слънчеви концентратори или реакторни системи). Топлинните двигатели могат да бъдат отворени към въздуха или херметизирани и затворени към външната среда (това се нарича отворен или затворен цикъл) — при отворените цикли работното тяло се подменя с околната среда, при затворените работното тяло циркулира в системата.

Принцип на действие

Основната идея е проста: трябва да има разлика в температурите между два резервоара. Част от топлинната енергия, пренесена от горещия резервоар към студения, може да бъде преобразувана в механична работа. Има няколко ключови компонента на повечето топлинни двигатели:

  • Източник на топлина — доставя енергия (гориво, слънце, реактор и др.).
  • Работно тяло — веществото, което преминава през термодинамични процеси (газ, пара, течност).
  • Механизъм за преобразуване — бутала, турбини, компресори, които превръщат разширението/налягането на работното тяло в механична работа.
  • Поглътител (студен резервоар) — където се отдава неизползваната топлина.

Основни видове топлинни двигатели

  • Двигатели с вътрешно горене — бензинови (циклът на Отo) и дизелови двигатели (цикъл на Дизел). Характерни са за автомобили и много стационарни агрегати.
  • Парни (парни турбини и парни котли) — използват вода/пара; класически пример са електроцентрали (цикълът на Ренкин).
  • Газови турбини — използват цикъла на Брайтън (Brayton); често в авиацията и в енергетиката.
  • Стърлингови двигатели — затворен цикъл с възстановяване на топлина (регенирация), работи тихо и с висока ефективност при малки температурни разлики.
  • Реактивни и ракетни двигатели — преобразуват енергията от горенето в скорост на изхвърляне на газове; специфични за тласкане.
  • Хибридни и комбинирани системи — комбинират различни цикли (например комбинирана газова турбина и парна турбина) за по-висок КПД и използване на отпадна топлина (когенерация).

Термодинамични цикли и КПД

Идеалният максимум за полезния добив от топлинен двигател е даден от цикъла на Карно и зависи само от температурите на източника (Th) и на поглътителя (Tc). Най-просто изразено, идеалният коефициент на полезно действие е:

η = 1 − Tc / Th (където температурите трябва да са в Келвини).

Пример: ако Th = 600 K и Tc = 300 K, идеалният η = 1 − 300/600 = 0.5 → 50%. На практика реалните двигатели имат по-нисък КПД заради триене, необратими термодинамични процеси, загуби при пренос на топлина и други неизбежни ефекти.

Отворени и затворени цикли

При отворените цикли (например по-голямата част от двигателите с вътрешно горене) работното тяло влиза в системата, преминава процесите и се изхвърля в околната среда. При затворените цикли (например Стърлинг или някои турбини с рециклиране на работно тяло) работното тяло циркулира вътре в системата и се използва многократно, което позволява по-добър контрол върху работните условия.

Практически съображения и приложения

При избора и проектирането на топлинни двигатели се вземат предвид наличното гориво или източник на топлина, изискванията за мощност, икономичност, емисии и надеждност. Модерните тенденции включват:

  • Повишаване на ефективността чрез комбинирани цикли и рекуперация на топлина.
  • Намаляване на вредните емисии чрез по-чисти горива, следене и каталитична обработка.
  • Използване на възобновяеми и отпадни топлинни източници (соларни концентратори, геотермална енергия, отпадна топлина от промишлеността).

Топлинните двигатели остават ключова технология за производство на механична енергия и електричество, и продължават да се развиват с оглед на по-висока ефективност и по-ниско въздействие върху околната среда.