מנוע חום

תרשים של מנוע חום

מנוע חום הוא מכונה שהופכת אנרגיה תרמית לעבודה מכנית. מקור החום יכול להיות בעירה של דלק, אנרגיה סולארית, אנרגיה גאותרמית וכדומה. על מנועי חום נמנים מנוע דיזל, מנוע בנזין, טורבינת קיטור, מנוע סילון, טורבינת גז ועוד.

הפקת אנרגיית חום מדלק

הפקת אנרגיית חום מדלק נעשית על ידי שריפתו. שריפה היא תהליך כימי, במהלכו ניתקים הקשרים הכימיים בין היסודות מהם מורכב הדלק (פחמן ומימן בעיקר), והם מתחברים מחדש עם אטומי חמצן המצוי באוויר. תוצר השריפה היא תערובת חדשה של גזים, הנקראים גזי שריפה. תהליך ההתחברות מחדש של האטומים מלווה בשחרור אנרגיית חום גדולה, הנקלטת על ידי הגזים שנוצרו בשריפה ומעלה את הטמפרטורה שלהם בשיעור רב מאוד.

ההרכב הכימי של הדלק

דלק גולמי הוא תערובת סבוכה של פחמימנים (hydrocarbons) מסוגים שונים. פחמימנים הם תרכובות אורגניות, שהמולקולות שלהן בנויות מאטומי פחמן (Carbon) ואטומי מימן (Hydrogen) בלבד. הפחמימנים נבדלים זה מזה במספר אטומי הפחמן והמימן בכל מולקולה, בצורת הקשרים הכימיים בין האטומים, בטמפרטורת הרתיחה שלהם, במשקלם הסגולי ועוד. תכולת הפחמן בדלק המופק מנפט היא 83-87%, ותכולת המימן 11-14%. מלבד פחמימנים מכיל הדלק גם כמות קטנה של גופרית (Sulphur, 1-5%) ומינרלים שונים בכמות זעירה.

ההרכב הכימי של האוויר

האוויר מורכב ברובו הגדול ממולקולות חמצן וממולקולות חנקן, שכל אחת מהן מכילה שני אטומים הקשורים זה לזה (O₂ ו-N₂ בהתאמה). החנקן אינו משתתף בשריפה, כלומר אינו מתחבר עם החמצן ואף לא עם הפחמן והמימן שבדלק.

טמפרטורת ההצתה

כדי שתתרחש שריפה, יש לאדות את הדלק ואחר כך להוסיף ולחממו עד לטמפרטורה, שבה יינתקו הקשרים בין אטומי הפחמן, המימן והגופרית המרכיבים את הדלק, והם יתחברו מחדש עם אטומי חמצן המצוי באוויר. טמפרטורה זו נקראת נקודת ההצתה (כ- 520⁰C בדלק סולר). המשמעות המעשית היא, כי שריפה לא יכולה להתחיל ללא מקור חום חיצוני בטמפרטורה נקובה. תוספת החום מעניקה אנרגיה לאטומים המרכיבים את הדלק, מחלישה את הקשרים ביניהם וגורמת בסופו של דבר להינתקותם זה מזה. במצב זה הם מתחברים מחדש עם אטומי החמצן שבאוויר.

תגובת שרשרת

החום הרב, שנוצר כתוצאה מהתלקחות מולקולות הדלק הראשונות, נקלט על ידי פרודות דלק נוספות שעדיין לא התלקחו. כתוצאה מכך גם הן מתאדות ונשרפות ומסייעות להתלקחות מולקולות אחרות.

הרכב גזי השריפה

מוצר השריפה הוא תערובת חדשה של גזים, הנקראים גזי שריפה. בשעת ההתחברות של יסודות הדלק עם החמצן משתחררת אנרגיית חום גדולה, הנקלטת על ידי הגזים שנוצרו בשריפה ומעלה את הטמפרטורה שלהם עד 2000⁰C.

הרכב ממוצע של גזי השרפה במנוע דיזל, לדוגמה, הוא:

• פחמן דו-חמצני (11%)
• מים במצב צבירה גזי (4%)
• תחמוצת גופרית (כמות זעירה)
• חנקן (74%)
• עודפי חמצן (11%)

כיצד הופכים את אנרגיית החום לאנרגיה מכנית?

את אנרגיית החום הנוצרת בשריפה הופכים לאנרגיה או לעבודה מכנית באחת משתי דרכים:

• שורפים את הדלק בחלל פתוח, בכבשן של דוד קיטור, ומנצלים את החום הרב של הגזים להרתחת מים וליצירת קיטור בלחץ ובטמפרטורה גבוהים. באמצעות לחץ הקיטור מסובבים גלגל כפות של טורבינת קיטור או דוחפים בוכנה בתוך צילינדר של מנוע קיטור.
• כאשר מבצעים את השרפה בחלל סגור, למשל בצילינדר של מנוע דיזל או בנזין, גורמת עליית הטמפרטורה של הגזים להעלאת לחצם. את לחץ גזי השריפה מנצלים ישירות לדחיפת הבוכנה, ועל ידי כך הם מבצעים עבודה מכנית.

סיווג מנועי חום

מנועי חום מסווגים על פי ההבחנה הנ"ל למנועי בעירה חיצונית ולמנועי בעירה פנימית.