Varmluftmotor

En varmluftmotor er en varmekraftmaskine, som kan konstrueres, så den kan anvendes som varmepumpe og/eller mekanisk generator. Som varmluftmotor varmepumpe er input mekanisk arbejde - og output er termisk energi flyttet fra en koldt varmereservoir til et varmt varmereservoir. Som varmluftmotor mekanisk generator er input termisk energi flyttet fra et varmt varmereservoir til et koldt varmereservoir - og output er mekanisk arbejde.^[1][2]

Eksempel på en varmluftmotor: Animation af en Beta Stirlingmotor design med Rhombic Drive.
Hvis stirlingmotoren arbejder som en mekanisk generator haves følgende:
Varme ledes fra et varmt varmereservoir fra et område omkring toppen og ned til niveau som toppen af den lille kasse til venstre.
Varme bortledes til et køligt varmereservoir fra et område fra lige under niveau under den lille kasse og til bunden af røret. Den lille kasse er en varmeregenerator.
Når toppen er arealmæssigt maksimalt rødt, er trykket maksimalt, dette trykker det nederste stempel nedad (arbejdsstemplet).
Når bunden er arealmæssigt maksimalt blåt, er trykket minimalt, dette trækker det nederste arbejdsstempel opad.
Det lysegrå afrundede stempel er fortrængerstemplet. Fortrængerstemplet skubber arbejdsgassen frem og tilbage mellem det røde (varme) og blå(kølige) rumfang. Arbejdsgassen passerer varmeregeneratoren i processen. Der bruges normalt mindre energi på at flytte arbejdsgassen, end der udvindes grundet arbejdsstemplets udvundne arbejde.
Derfor vil der via tandhjulene, netto kunne udvindes mekanisk arbejde.

En varmluftmotor burde på dansk hedde en varmgasmotor, da der udover luft også bliver anvendt andre gasser som fx; helium, nitrogen...^[3]

Virkemåde

Varmluftmotor som mekanisk generator

En varmluftmotor mekanisk generator virker ved at en gas opvarmes og dermed udvider sig – og trækker sig sammen når det afkøles. Dette benyttes via stempler til at skubbe og trække i plejlstænger eller svingplader – og herved kan mekanisk arbejde udvindes.

Varmluftmotoren konverterer noget af den overførte varme mellem varmereservoirene til mekanisk bevægelse.

Den varme og kolde reservoirtemperatur indgår i formlen for virkningsgraden, for de enkelte varmluftmotorvarianter.

Den højeste teoretiske virkningsgrad har Carnot-varmluftmotoren som mekanisk generator:^[4]

${\displaystyle \eta _{\text{Carnot}}=1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}}$

Temperaturene skal indsættes i Kelvin. Jo større temperaturforhold, jo bedre er varmeudnyttelsen altså. En nyttevirkning på 1 er en 100 % omdannelse af varme til arbejde, men det ses, at 100 % ikke kan opnås for endelige temperaturer.

Varmluftmotor som varmepumpe

En varmluftmotor varmepumpe virker ved at en gas udsættes for minsket rumfang og øget rumfang - i denne proces anvendes mekanisk energi. Det mekaniske energi tilføjes via plejlstænger eller svingplader til stempler til at ændre rumfanget. Når rumfanget er "småt" vil gassen som konsekvens opvarmes; dette ledes til det (fx varme) varmereservoir - når rumfanget er "stort" vil gassen som konsekvens afkøles; fra det (fx kolde) varmereservoir ledes varme.

Varmluftmotoren konverterer her mekanisk energi til varmepumpning.

Den varme og kolde reservoirtemperatur indgår i formlen for virkningsgraden, for de enkelte varmluftmotorvarianter.

Den højeste teoretiske virkningsgrad har Carnot-varmluftmotoren som varmepumpe:^[4]

${\displaystyle \eta _{\text{varmepumpe}}={\frac {1}{\eta _{\text{Carnot}}}}={\frac {1}{1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}}}}$

Temperaturene skal indsættes i Kelvin. Det ses, at en Carnot-varmepumpe har en nyttevirkning på over 1, men bemærk at varmen kommer fra det (fx kolde) varmereservoir.

Termoakustisk varmluftmotor

Uddybende artikel: Termoakustisk varmluftmotor

I en termoakustisk varmluftmotor bliver gassen ikke flyttet via stempler, men virker ved at en trykbølge katalyserer opvarmning og afkøling afhængig af trykbølgens retning. Det mekaniske arbejde udvindes eller tilføres via en højttaler (evt. piezoelektrisk) eller et stempel – og fungerer derfor som arbejdsstempel.

Historisk

Den første anvendelige varmluftmotor blev opfundet eller udviklet i 1816 af Reverend Robert Stirling – og hedder i dag en Stirlingmotor.

Termodynamisk kredsproces

En varmluftmotors termodynamiske kredsproces kan (ideelt set) udgøres af 3 eller flere termodynamiske processer (typisk 4). I en af processerne skal der tilføres varme fra et varmereservoir - og i en anden af processerne skal der fraføres varme fra et andet varmereservoir. De anvendte processer kan hver især være en af disse:

• isoterm proces (ved konstant temperatur, vedligeholdt med termisk varme tiføjet eller fjernet ved hjælp af en varmereservoir)
• isobar proces (ved konstant tryk)
• isochor proces (ved konstant rumfang)
• adiabatisk proces (ingen termisk varme tilføres eller fjernes fra arbejdsfluidet)
  • isentropisk proces (ingen termisk varme tilføres eller fjernes fra arbejdsfluidet – og entropien er konstant – det kaldes også en reversibel adiabatisk proces)^[5]
• isentalpisk proces (entalpien er konstant)

Her følger nogle eksempler:

Kredsproces\Proces	Kompression	Varmetilførsel	Ekspansion	Varmefraførsel
Varmekraftmaskine-kredsprocesser normalt med ekstern forbrænding - eller varmepumpe-kredsprocesser
Ericsson (første,1833) Brayton	isoterm	isobar	isoterm	isobar
Bell Coleman (omvendt Brayton)	adiabatisk	isobar	adiabatisk	isobar
Carnot	isentropisk	isoterm	isentropisk	isoterm
Stoddard	adiabatisk	isobar	adiabatisk	isobar
Stirling	isoterm	isochor	isoterm	isochor
Ericsson (anden,1853)	isoterm	isobar	isoterm	isobar

Et eksempel mere på en varmluftmotor er Vuilleumier-varmepumpe.

Kilder/referencer

1. Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 4, No. 2, Special Issue, pp. 1-8, 2011. ISSN 1735-3572, EISSN 1735-3645. DOI: 10.36884/jafm.4.03.11927. Hot Air Engines. P. Stouffs, backup Citat: "...Figure 1 shows that the working fluid of a heat engine has to exchange heat with a hot and a cold source, but also has to undergo a pressure increase (compression) at low temperature and a pressure decrease (expansion) at a higher temperature. So the operation of a heat engine can be described as the succession of a cold fluid compression, a heat supply from a hot source, and a hot fluid expansion...."
2. ld-italia.it, LD DIDACTIC GmbH: Operating the hot-air engine as a heat pump and a refrigerating machine, backup Citat: "...The hot-air engine (R. Stirling, 1816) works as a heat pump or as a refrigerator when its flywheel is driven from outside...When mechanical work is put into the hot-air engine via its flywheel, the cylinder head can, depending on the sense of rotation, absorb or give off heat. At the same time heat is extracted from the cooling water or transferred to it. The hot-air engine works as a heat pump when the flywheel is rotated anti-clockwise and as a refrigerator when the flywheel is rotated clockwise...."
3. core.ac.uk: Hochshule Osnabrük. Fakultät Ingenieurwissenschaften und Informatik. Masterarbeit über das Thema Testing and Optimization of the performance of a Stirling engine, backup Citat. "...Stirling Cycle Engine (SCE)...The most technically advanced SCE use helium as working gas. But helium is quite expensive and must be fed by a gas bottle. - Some engines use air or nitrogen as working fluid..."
4. Blundell, Stephen J.; Blundell, Katherine M. (2006). "13.2 The Carnot engine". Concepts in Thermal Physics (engelsk) (1. udgave). Oxford University Press. s. 123-125. ISBN 978-0-19-856770-7.
5. Important Thermal Processes: ISOENTROPIC Entropy is constant

Wikimedia Commons har medier relateret til: Varmluftmotor