Inseneriteaduses ja termodünaamikas muundab soojusmootor soojusenergia mehaaniliseks tööks, kasutades kuuma "allika" ja külma "neelduri" vahelist temperatuuri erinevust. Soojus kantakse allikast läbi mootori "töötava keha" või tööaine "valamusse" ja selle protsessi käigus muutub osa soojusest tööks, kasutades mootori sees oleva gaasi või vedeliku omadusi. Protsessi kiirus ning see, kui suur osa soojusest muutub tööks, sõltub mootori tüübist, tsükli kujust ja reaalseid kaod põhjustavatest teguritest (nt soojuskadud, hõõrdumine, mittetäiuslikud protsessid).

Soojusmootoreid on palju erinevaid. Igaühel neist on oma termodünaamiline tsükkel. Soojusmootorid on sageli nimetatud termodünaamilise tsükli järgi, mida nad kasutavad, näiteks Carnot' tsükkel. Sageli võtavad nad ka igapäevaseid nimetusi, näiteks bensiini- või bensiinimootor, turbiinimootor või aurumootor. Mõned soojusmootorid (näiteks sisepõlemismootorid) tekitavad soojust mootoris endas; teised võtavad soojust välisest allikast (näiteks katlast või kuumast gaasist).

Tööpõhimõte lühidalt

Soojusmootori põhiprintsiip on lihtne: puudub otsene soojuse — töö muundamine ilma temperatuuri erinevuseta. Seega on vajalik kuum allikas (sisendsoojus) ja kõrgemalt temperatuuri eraldaja ehk neeldur (väljalaske- või jahutusosa). Mootori sees olev tööaine (gaas või vedelik) läbib tsüklilisi protsesse (kokkusurumine, kuumutamine, laienemine, jahutamine), mille käigus osa soojusest muudetakse mehaaniliseks tööks (liikumine kolbide, turbiini labade vms kaudu).

Peamised tüübid ja näited

  • Sisepõlemismootorid — Otto- ja Diisel-tsüklid. Põletamine toimub silindris; levinud liikuvates sõidukites. (Näide: tavaline bensiinimootor.)
  • Väline põlemisega mootorid — Rankine'i tsükli aurumootorid (auruturbiinid), Stirlingi mootor. Soojusallikas on väljas (katel).
  • Gaasi- ja turbomootorid — Braytoni tsükkel (gaasiturbina). Kasutatakse lennukites ja elektrijaamades.
  • Reovee- ja aurumasinad — aurumootorid ja auruturbiinid elektri- ja tööstustootmiseks.
  • Kombineeritud tsüklid ja CHP — sõlmid, kus kasutatakse ära kütuse põlemisega tekkivat kuumust, et toota samaaegselt elektrit ja sooja (soojusenergia taaskasutus).

Termodünaamika ja efektiivsus

Soojusmootori efektiivsuse piire määrab peamiselt termodünaamika teine seadus. Ideaalse (reversiibla) mootoriga saab saavutada maksimaalse teoreetilise efektiivsuse, mida kirjeldab Carnot' piir: η = 1 − T_neel/T_allikas, kus temperatuurid T_allikas ja T_neel on absoluutkraadides (Kelvinides). Praktikas on tegelikud mootorid vähem efektiivsed, sest esineb mitte-reversiiblaid protsesse (hõõrdumine, soojuskadud, faasimuutuste hind, pompade/kompressorite töö jne).

Ligikaudsed efektiivsusvahemikud reaalse maailma mootoritele:

  • Sisepõlemismootorid: tavaliselt 20–40% (sõidukid: ~25–35%)
  • Auruturbina- ja aurukatlad: ~30–45% (tavaliselt madalam üksikjärguliselt)
  • Kahefaasilised või kombineeritud tsüklid (elektrijaamad): kuni 60% või rohkem, kui kasutatakse kombinatsiooniga (gaasi- ja aurutsüklid)

Peamised komponendid ja tsükli variandid

  • Tööaine (gaas, aur, õli jms) — kannab soojust ja tekitab töö.
  • Allikas ja neeldur — kuumus sisend, jahutus väljalase (näiteks atmosfäär või jahutussüsteem).
  • Mootori mehhaanika — kolb/silinder või turbiin/kompressor, ventiilid, pöördemoment edasiandvad osad.
  • Abiseadmed — kondensaator, soojusvaheti, regeneraator, põleti, pump.
  • Avatud vs suletud tsükkel — avatud tsüklis vahetub tööaine keskkonnaga (nt sisepõlemismootor, kus õhk ja põletised gaasid väljuvad); suletud tsüklis tööaine jääb ringlusse ja tsükliliselt taastatakse (nt Stirlingi mootor, mõned aururingid).

Mõju keskkonnale ja efektiivsuse tõstmine

Soojusmootorite kütusekulud ja heitmed sõltuvad otseselt efektiivsusest ja kütuse tüübist. Hea tava hõlmab:

  • waste-heat recovery (soojuse taaskasutus) ja CHP lahendused;
  • turbolaadurid ja kõrgema kompressioonisuhteni viimine sisepõlemismootoritel;
  • efektiivsemad materjalid ja madalamad soojuskadud (isolatsioon, madala hõõrdumise pindaine);
  • elektri-hübriidlahendused, mis vähendavad kütusekulu ja heitmeid sõidukites.

Kokkuvõte

Soojusmootorid on põhiline viis soojusenergia muundamiseks mehaaniliseks tööks ja neid kasutatakse laialdaselt transpordis, tööstuses ja elektritootmises. Iga mootoritüüp järgib oma termodünaamilist tsüklit ning reaalse tööprotsessi efektiivsus jääb alati Carnot' teoreetilisest piirist alla. Parendused keskenduvad energiakadu vähendamisele, soojuse taaskasutusele ja paremate materjalide kasutamisele, et suurendada muundustõhusust ja vähendada keskkonnamõju.