תחנת כוח הפועלת על מחזור משולב במישור רותםעקרון פעולה של תחנת כוח במחזור משולב: 1-גנרטורים, 2-טורבינת קיטור, 3-מעבה, 4-משאבה, 5-דודים/מחלף חום, 6-טורבינת גז
מחזור משולב הוא קבוצה של מנועי חום הפועלים במקביל מאותו מקור חום, וממירים אותו לאנרגיה מכנית. היישום של מחזור משולב נפוץ בייצור חשמל ובמערכות הנעה ימיות. בייצור חשמל על ידי מערכת מחזור משולב נשרף דלק בטורבינת גז המחוברת לגנרטור בעוד גזי הפליטה של הטורבינה מנותבים למחלף חום המייצר קיטור. הקיטור משמש להנעת טורבינת קיטור המניעה בתורה גנרטור חשמלי נוסף.
העיקרון העומד בבסיס השיטה הוא שהאנטרופיה של הנוזל או הגז שסיים להניע את מנוע החום הראשון עדיין גבוה מספיק כדי שמנוע חום שני יוכל להפיק אנרגיה משארית החום (אנרגיה) של הנוזל או הגז העובד במנוע הראשון. על ידי שילוב שני זרמים אלה של עבודה על מוט מכני יחיד המפעיל גנרטור חשמלי, היעילות נטו הכוללת של המערכת עשויה להיות מוגברת בשיעור של 60-50%, כלומר, מיעילות כוללת של כ-34% (במחזור יחיד) ליעילות כוללת של כ-51% (במחזור משולב של שני מחזורים). הדבר אפשרי משום שמנועי חום יכולים להשתמש רק בחלק מאנרגיית הדלק שלהם (בדרך כלל בפחות מ-50%). במנוע חום רגיל (לא במחזור משולב) החום שנותר משריפה (למשל, אדי מפלט חמים) מבוזבז בדרך כלל.
שילוב של שני מחזורים משולבים או יותר מוביל ליעילות כוללת גבוהה יותר ולהפחתת עלויות דלק. צורה נפוצה של שימוש במחזור משולב בתחנות כוח נייחות היא בטורבינת גז. מתקן זה נקרא "טורבינת גז במחזור משולב", והוא יכול להשיג יעילות תרמית גבוהה במיוחד של כ-54%, בניגוד לטורבינת גז בעלת מחזור אחד אשר מוגבלת ליעילות של כ-42-35%. בתחילת המאה ה-21 תחנות כוח רבות המוקמות בארצות הברית ובאירופה הן במחזור משולב, חלקן בעלות יותר משני מחזורים משולבים.
