W Silniki spalinowe

Transkrypt

1 W5 ermodynamika techniczna Silniki cieplne Obieg Carnota Obieg Otta Obieg Diesla Obieg Sabathego Obieg Joula Obieg Braytona Silnik strumieniowy Silnik pulsacyjny

2 w5 ermodynamika techniczna

4 w5 ermodynamika techniczna Maszyny i urządzenia energetyczne dokonują przemiany jednego rodzaju energii w drugi. Silniki cieplne zamieniają ciepło (energię wewnętrzn trzną) ) na pracę. 4

5 w5 ermodynamika techniczna Początkow tkową formą energii w maszynie lub urządzeniu energetycznym moŝe e być: - energia chemiczna - energia jądrowaj - ciepło o (energia wewnętrzna) - energia ciśnienie czynnika. Końcow cową formą energii w maszynie lub urządzeniu energetycznym moŝe e być: - ciepło o (energia wewnętrzna) - praca (energia mechaniczna) - energia elektryczna (energia prądu elektrycznego). 5

6 w5 ermodynamika techniczna Dla źródeł ciepła a (grzejnik i chłodnica) o danych temperaturach najwyŝsz szą sprawność osiąga silnik pracujący cy według obiegu Carnota. 6

7 w5 7 ermodynamika techniczna

9 w5 ermodynamika techniczna p 4 Q 0 g const d const Q 0 V g d 4 S S S 9

10 w5 ermodynamika techniczna rozpręŝ ęŝanie izotermiczne (pobieranie ciepła) rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne 4 spręŝ ęŝanie izotermiczne (oddawanie ciepła) 4 spręŝ ęŝanie adiabatyczne 0

11 w5 ermodynamika techniczna p 4 V p 4 V Q, L, Q 0 L,

12 w5 Silniki sppalinowe ermodynamika techniczna p 4 V p 4 V (-)Q,4 (-)L (-)L,4 Q 0 4,

13 w5 ermodynamika techniczna Q, + Q, 0 U 0 + ( ) Q 0 + ( ) 0 U,4 U U L 4, + + L, L ( ),4 L 4, ( ) Q L + L + ( ) L + ( ) L,4,,,4 4, U U U U 4

14 w5 ermodynamika techniczna Q Q,,4 g d S S,,4 g d ( S S ) ( S S ) 4 4

15 w5 ermodynamika techniczna η η L Q + ob pob d g Q, 4 Q +, Q,4 ( S S ) + ( S S ) + d g Q Q,4, ( S S ) ( S S ) 5

16 w5 ermodynamika techniczna η d g 6

17 w5 ermodynamika techniczna Rzeczywiste silniki pracują według innych obiegów w termodynamicznych, w których zakłada ada się izobaryczną lub izochoryczną wymianę ciepła. Obieg termodynamiczny, według którego pracuje silnik cieplny jest obiegiem odwracalnym. 7

18 w5 ermodynamika techniczna Procesy nieodwracalne zachodzące ce w silnikach cieplnych zmniejszają sprawność silnika. Straty nieodwracalne dzielimy na: - straty cieplno-przep przepływowe - stary mechaniczne. Do określenia strat cieplno-przep przepływowych analogicznie, jak dla spręŝ ęŝarek wyporowych, stosujemy pojęcie pracy indykowanej (wewnętrznej) i sprawności indykowanej (wewnętrznej) 8

19 9 9 w5 ermodynamika techniczna m i t u i u w u t t i t w t t d t t L L E E L L E E Q L E E η η η η η η η

20 w5 ermodynamika techniczna Q strata termodynamiczna L t L i L u strata mechaniczna strata cieplno-przepływowa 0

21 w5 ermodynamika techniczna sąs silnikami cieplnymi o spalaniu wewnętrznym. Czynnikiem termodynamicznym, na jakim pracują silniki spalinowe sąs spaliny. W silnikach spalinowych moŝliwe jest spalanie paliw ciekłych gazowych będących b węglowodorami lub alkoholami. Spaliny sąs mieszaniną gazów dwuatomowych (N ) i trzyatomowych (CO, H O).

22 w5 ermodynamika techniczna Silnikami spalinowymi są: s - silniki wyporowe: - silniki tłokowe t ZI - silniki tłokowe t ZS - silniki przepływowe (przelotowe): - silniki spręŝ ęŝarkowe: - silniki turboodrzutowe - silniki bezspręŝ ęŝarkowe: - silniki strumieniowe - silniki pulsacyjne.

23 w5 ermodynamika techniczna Jedynym działaj ającym wyporowym silnikiem rotacyjnym jest silnik Wankla. eoretyczny przebieg pracy silnika Wankla jest taki sam, jak dla tłokowego silnika spalinowego ZI.

27 w5 ermodynamika techniczna W silniku ZI mieszanka paliwowo-powietrzna powietrzna zapalana jest iskrą elektryczną. Uwzględniaj dniając c czas spalania mieszanki paliwowo- powietrznej i ruch, jaki tłok t w tym czasie wykonuje, przyjmujemy izochoryczny przebieg spalania. Otwarcie zaworu wydechowego w DZP wywołuje gwałtowny spadek ciśnienia gazu w cylindrze. Spadek ciśnienia po otwarciu zaworu wydechowego w teoretycznym przebiegu pracy silnika ZI interpretujemy jako izochoryczne oddanie ciepła. 7

31 w5 ermodynamika techniczna p a- pobieranie czynnika (suw ssania) - spręŝanie adiabatyczne (suw spręŝania) - izochoryczne dostarczenie ciepła (spalanie) -4 rozpręŝanie adiabatyczne (suw pracy) 4- izochoryczne oddanie ciepła (otworzenie zaworu wydechowego) -a usunięcie czynnika (suw wydechu) 4 a GZP DZP V

33 w5 ermodynamika techniczna p 4 V 4 S

34 w5 ermodynamika techniczna Obieg termodynamiczny równowaŝny ny przebiegowi pracy silnika ZI nazywany jest obiegiem Otta. 4

35 5 5 w5 ermodynamika techniczna ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , 0, 0 0 ) ( ) ( c c c c q q c q q q q q q q q l v v t v v v t t + + η η

36 6 6 w5 ermodynamika techniczna v v v v v v v v κ κ κ ε

37 7 7 w5 ermodynamika techniczna 4 4 κ ε η η

38 w5 ermodynamika techniczna Sprawność teoretyczna (termodynamiczna) obiegu Otta zaleŝy od stopnia spręŝ ęŝania ε i własnow asności czynnika termodynamicznego κ (ilości atomów w w cząstce gazu). eoretyczna sprawność obiegu Otta dla stopnia spręŝ ęŝania ε 8 (κ(,4) wynosi 56 [%]. 8

39 w5 ermodynamika techniczna W silniku ZS wtrysk paliwa do cylindra wywołuje samozapłon on powstającej mieszanki paliwowo- powietrznej. Spalanie jest rozciągni gnięte w czasie. Przyjmujemy, Ŝe e w czasie spalania tłok t wykonuje ruch rozpręŝ ęŝający. Spalanie realizowane w trakcie rozpręŝ ęŝającego ruchu tłoka t jest interpretowane jako izobaryczne dostarczenie ciepła. eoretyczny przebieg pracy silnika ZS róŝni r się od teoretycznego przebiegu pracy silnika ZI tylko sposobem dostarczenia ciepła. 9

41 w5 ermodynamika techniczna p 4 4 V S 4

42 w5 ermodynamika techniczna Obieg termodynamiczny równowaŝny ny przebiegowi pracy silnika ZS nazywany jest obiegiem Diesla. 4

43 4 4 w5 ermodynamika techniczna ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ) ( ) ( , 0, c c c c q q c q q q q q q q q l p v t v v p t t κ η η

44 44 44 w5 ermodynamika techniczna κ κ κ κ κ κ ε ϕ ε ϕ v v v v v v v v v v p p v v

45 45 45 w5 ermodynamika techniczna 4 4 ϕ ϕ ε κ η ϕ ε ϕ ε ϕ κ κ κ κ κ κ

46 w5 ermodynamika techniczna Sprawność teoretyczna (termodynamiczna) obiegu Diesla zaleŝy y od stopnia spręŝ ęŝania ε, stosunku temperatur końca i początku spalania φ i własnow asności czynnika termodynamicznego κ (ilości atomów w cząstce gazu). 46

47 w5 ermodynamika techniczna Współczynnik φ ma tym mniejszą wartość ść,, im mniejszą wartość ma objęto tość końca spalania. lim ϕ κ κ ϕ ϕ 47

48 48 48 w5 ermodynamika techniczna ( ) > > + ϕ ϕ κ ϕ ϕ ϕ κ ϕ ϕ κ ϕ ϕ κ κ κ κ κ

49 w5 ermodynamika techniczna PoniewaŜ w silnikach ZS stosujemy dwukrotnie wyŝsze stopnie spręŝ ęŝania, niŝ w silnikach ZI, to sprawność silnika ZS i obiegu Diesla dla dwukrotnie wyŝszego stopnia spręŝ ęŝania moŝe e być wyŝsza od sprawności silnika ZI i obiegu Otta. eoretyczna sprawność obiegu Diesla dla stopnia spręŝ ęŝania ε (κ(,4) przy spalaniu trwającym /8 suwu rozpręŝ ęŝania wynosi 60 [%]. 49

50 w5 ermodynamika techniczna Dla szybkoobrotowego silnika ZS samozapłon on następuje po wtryśni nięciu do komory spalania prawie całej dawki paliwa. Z tego względu przejmuje się, Ŝe e w takim przypadku spalanie częś ęściowo jest realizowane jako proces izochoryczny, a częś ęściowo jako proces izobaryczny. 50

51 w5 ermodynamika techniczna p V S 5

52 w5 ermodynamika techniczna Obieg termodynamiczny równowaŝny ny przebiegowi pracy szybkoobrotowego silnika ZS nazywany jest obiegiem Sabathego. 5

53 w5 ermodynamika techniczna Sprawność obiegu Sabathego wynosi jest wyŝsza od sprawności obiegu Diesla i niŝsza od sprawności obiegu Otta przy tych samych stopniach spręŝ ęŝania. ε const η > η > Otta Sabathego η Diesla 5

54 w5 ermodynamika techniczna Uwzględniaj dniając c stopień spręŝ ęŝania silniki ZS mają wyŝsz szą sprawność od silników w ZI. 54

58 w5 ermodynamika techniczna urbina gazowa moŝe e pracować jako samodzielna maszyna i moŝe e być częś ęścią składow adową turbinowego silnika spalinowego. urbina gazowa nie musi być silnikiem spalinowym i moŝe e pracować w układzie zamkniętym. 58

59 w5 ermodynamika techniczna Z punktu widzenia zasady działania ania i obiegu termodynamicznego równowaŝnego nego pracy silnika przepływowego rozróŝniamy: - silniki turbinowe - silniki strumieniowe - silniki pulsacyjne. 59

60 w5 ermodynamika techniczna RóŜnica między turbina gazową,, a silnikiem turboodrzutowym sprowadza się do sposobu odebrania pracy z silnika. 60

61 w5 ermodynamika techniczna spręŝarka komora spalania turbina 6

70 w5 ermodynamika techniczna p 4 V 4 S 70

71 w5 ermodynamika techniczna Obieg Joula stanowią przemiany: - - spręŝ ęŝanie adiabatyczne - - izobaryczne dostarczenie ciepła rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne - 4- izobaryczne oddanie ciepła. 7

72 w5 ermodynamika techniczna Obieg termodynamiczny równowaŝny ny przebiegowi pracy silnika turbinowego nazywany jest obiegiem Joula. 7

73 w5 ermodynamika techniczna Obieg Braytona jest obiegiem porównawczym silnika turboodrzutowego. Od obiegu Joula róŝni r się tym, Ŝe e w obiegu Braytona: - spręŝ ęŝanie adiabatyczne dzieli się na izentropowe spręŝ ęŝanie dynamiczne na wlocie silnika i izentropowe spręŝ ęŝanie w spręŝ ęŝarce - rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne dzieli się na izentropowe rozpręŝ ęŝanie na turbinie i izentropowe rozpręŝ ęŝanie dynamiczne w dyszy wylotowej. 7

75 w5 ermodynamika techniczna Obieg Braytona stanowią przemiany: - - spręŝ ęŝanie adiabatyczne (dynamiczne na wlocie silnika) - - spręŝ ęŝanie adiabatyczne (w spręŝ ęŝarce silnika) izobaryczne dostarczenie ciepła rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne (na turbinie silnika) rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne (dynamiczne na dyszy wylotowej silnika) - 6- izobaryczne oddanie ciepła. 75

76 76 76 w5 ermodynamika techniczna ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , 0, 0 0 ) ( ) ( c c c c q q c q q q q q q q q l p p t p p p t t + + η η

77 77 77 w5 ermodynamika techniczna p p p p p p p p Π κ κ κ κ κ κ

78 78 78 w5 ermodynamika techniczna κ κ η η 4 4 Π

79 w5 ermodynamika techniczna Podział spręŝ ęŝania adiabatycznego między wlot do silnika i spręŝ ęŝarkę i rozpręŝ ęŝania adiabatycznego między turbinę i dyszę wylotową silnika nie wpływa na sprawność obiegu. Sprawność obiegu Braytona jest taka sama, jak obiegu Joula. 79

80 w5 ermodynamika techniczna Wzrost spręŝ ęŝu u oznacza podniesie ciśnienia końcowego spręŝ ęŝania, a co za tym idzie takŝe e końcowej temperatury spręŝ ęŝania. Maksymalna temperatura obiegu ( ) jest ograniczona wytrzymałości cią termiczna łopatek turbiny. Wzrost spręŝ ęŝu u zwiększa sprawność silnika turbinowego i obniŝa a ilość ciepła, jaką moŝna pobrać bez przekraczania temperatury maksymalnej. Przy pewnych parametrach obiegu praca obiegu osiągnie wartość maksymalną. 80

81 8 8 w5 ermodynamika techniczna ( ) ( ) ( ) ( ) 4 4 c c l i i i i l l l l p p t t sprezarki turbiny t

82 8 8 w5 ermodynamika techniczna ( ) Π max max 4 4 τ τ τ κ κ o p t o p t c l c l

83 8 8 w5 ermodynamika techniczna o opt o p o p t c c d dl max max max 0 τ τ τ τ

84 w5 ermodynamika techniczna Π Π opt τ κ κ τ κ κ opt max o κ ( κ ) 84

85 85 85 w5 ermodynamika techniczna ( ) max max o opt o opt Π η η η κ κ κ κ κ κ

86 w5 ermodynamika techniczna Π η Dla temperatury maksymalnej 00 [K] i temperatury otoczenia 00 [K] otrzymujemy opt opt 00[ K] 00[ K ],4 (,,4 ) 00[ K] 00[ K] 0,478 9,7 47,8[%] 86

87 w5 ermodynamika techniczna Sprawność silnika turbinowego moŝna zwiększy kszyć przez zastosowanie: - chłodzenia międzystopniowego - regenerację ciepła 87

88 w5 ermodynamika techniczna W obu przypadkach konieczne jest zastosowanie wymienników w ciepłą łą. Ze względów w na masę i gabaryty wymienników w ciepła a chłodzenie międzystopniowe i regeneracja ciepła stosowane sąs w układach przemysłowych (stacjonarnych). 88

89 w5 ermodynamika techniczna Obieg Braytona stanowi obieg równowaŝny ny przebiegowi pracy w silniku strumieniowym. Silnik strumieniowy składa się z dyfuzora wlotowego spełniaj niającego rolę spręŝ ęŝarki, komory spalania i dyszy wylotowej spełniaj niającej rolę turbiny. 89

90 w5 w p 90 ermodynamika techniczna

91 w5 ρ w ermodynamika techniczna p Π p p o o + + ρ w + p ρ p o w p o p o 9

92 w5 ermodynamika techniczna Dla poddźwi więkowej prędko dkości lotu 800 [km/h] [m/s] Π kg,5 m + 5 m s 0 [ Pa] Π, 9

93 w5 ermodynamika techniczna η η Π, κ κ,4,4 0,07 7,[%] 9

94 w5 ermodynamika techniczna Przy prędko dkości naddźwi więkowej 4 [M] sprawność teoretyczna silnika strumieniowego jest większa od sprawności teoretycznej silnika turboodrzutowego. 94

95 w5 ermodynamika techniczna W silniku turboodrzutowym moŝliwe jest spalanie paliwa za turbina. Dyszę wylotowa silnika turboodrzutowego dostosowana do spalania paliwa nazywamy dopalaczem. 95

97 w5 ermodynamika techniczna Obieg silnika turboodrzutowego z dopalaczem stanowią przemiany: - - spręŝ ęŝanie adiabatyczne (dynamiczne na wlocie silnika) - - spręŝ ęŝanie adiabatyczne (w spręŝ ęŝarce silnika) izobaryczne dostarczenie ciepła a (komora spalania silnika) rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne (na turbinie silnika) izobaryczne dostarczenie ciepła a (dopalacz) rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne (dynamiczne na dyszy wylotowej silnika) - 6- izobaryczne oddanie ciepła 97

98 w5 ermodynamika techniczna Maksymalna temperatura w dopalaczu nie jest ograniczona wytrzymałości cią termiczną łopatek turbiny. W dopalaczu moŝna stosować temperatury końca spalania ( 6 ) rzędu 000 [K]. 98

99 w5 ermodynamika techniczna Spalanie w dopalaczu zachodzi przy niŝszym ciśnieniu niŝ w komorze spalania: - spręŝ spręŝ ęŝarki Π p /p - spręŝ dopalacza Π p 5 /p 99

100 w5 ermodynamika techniczna Sprawność dopalacza jest niŝsza, niŝ sprawność silnika turboodrzutowego Sprawność silnika turboodrzutowego z włąw łączonym dopalaczem jest niŝsza, niŝ z wyłą łączonym dopalaczem 00

101 w5 ermodynamika techniczna Dopalacz pozwala na: - szybki wzrost ciągu silnika (K [dan[ dan]) bez wzrostu temperatury na turbinie - lot z prędko dkością większ kszą niŝ maksymalna prędko dkość lotu bez dopalacza - zmniejszenie jednostkowego zuŝycia paliwa dla duŝych prędko dkości lotu (bj [kg/dan danh]). 0

102 w5 ermodynamika techniczna K d K b j b jd w H 0

103 w5 ermodynamika techniczna Silnik pulsacyjny jest silnikiem o spalaniu izochorycznym. eoretycznie moŝliwa jest konstrukcja silnika pulsacyjnego bezzaworowego pracującego cego z częstotliwo stotliwością rezonansową. 0

106 w5 ermodynamika techniczna Obieg silnika pulsacyjnego stanowią przemiany: - - izochoryczne dostarczenie ciepła - - rozpręŝ ęŝanie adiabatyczne - - izobaryczne oddanie ciepła 06

107 07 07 w5 ermodynamika techniczna ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), 0, 0 0 ) ( ) ( c c c c q q c q q q q q q q q l v p t p p v t t + + η η

108 08 08 w5 ermodynamika techniczna κ κ κ λ λ p p p p v v v v p p v v p p

109 09 09 w5 ermodynamika techniczna λ λ κ η κ η κ

110 w5 ermodynamika techniczna Sprawność silnika pulsacyjnego zaleŝy y od wzrostu ciśnienia (i temperatury) podczas spalania. Przy wzroście ciśnienia λ 5 sprawność teoretyczna silnika pulsacyjnego wynosi η η 0,45,4 5,4 5 4,5[%] 0

111 w5 ermodynamika techniczna Sprawność silnika pulsacyjnego jest wyŝsza od sprawności silnika strumieniowego. Ponadto w silniku pulsacyjnym nie zachodzi spręŝ ęŝanie dynamiczne i silnik pulsacyjny w przeciwieństwie do silnika strumieniowego rozwija ciąg przy prędko dkości równej r zero.

112 w5 ermodynamika techniczna Konieczność stosowania w silniku pulsacyjny zaworów w (samoczynnych) powoduje, Ŝe e silnik strumieniowy jest częś ęściej stosowany od silnika pulsacyjnego