Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Transkrypt

1 OBIEGI GAZOWE Obieg cykl przemian, po przejściu których stan końcowy czynnika jest identyczny ze stanem początkowym. Obrazem geometrycznym obiegu jest linia zamknięta. Dla obiegu termodynamicznego: przyrost energii wewnętrznej jest równy zero całe ciepło, które pozostało w układzie podczas obiegu zostaje wykorzystane na wykonanie przez układ pracy praca obiegu to pole zakreskowane na wykresie obiegu PROSY CYKL (OBIEG PRAWOBIEśNY) Obiegi gazowe w maszynach cieplnych Jest to cykl, którego odbywa się zgodnie ze wskazówkami zegara. Zarówno ciepło obiegu (doprowadzane do układu), jak i praca układu (wykonuje ją czynnik zamknięty w układzie) mają wartości dodatnie. Obiegiem prawobieŝnym charakteryzuje się SILNIK CIEPLNY,, który znajdując się na drodze przepływu ciepła ze źródła górnego (gorącego) do źródła dolnego (zimnego), zamienia w sposób ciągły część ciepła na pracę. W silniku parowym czynnikiem jest woda, która wrząc w kotle wytwarza parę o wysokim ciśnieniu. Para wywierając ciśnienie na tłok wykonuje pracę zewnętrzną, a następnie ulega kondensacji w skraplaczu i powraca do kotła. Podczas procesu kondensacji spada ciśnienie i tłok wraca do pozycji wyjściowej. Kocioł jest górnym źródłem ciepła, a skraplacz dolnym. Na końcu obiegu silnik znajduje się w stanie wyjściowym, ale po drodze nastąpiło pobranie ciepła w kotle, oddanie go w skraplaczu i została wykonana praca. W silniku spalinowym górnym źródłem ciepła jest komora spalania, w której następuje zamiana energii chemicznej paliwa na energię cieplną czynnika roboczego. Czynnikiem roboczym są spaliny. Dolnym źródłem ciepła jest układ chłodzenia silnika. Sprawność obiegu silnika W silniku spalinowym część ciepła dostarczonego do spalania paliwa musi być ć odprowadzona do chłodnicy, a część wraz ze spalinami uchodzi do atmosfery. Udział ciepła zamienianego na pracę decyduje o zuŝyciu 1

2 paliwa, a więc o ekonomiczności silnika. Do oceny ekonomiczności stosuje się sprawność obliczaną ze wzoru: η = L Q Q = o Q Q Qo = 1 Q Q ciepło doprowadzone do układu; Q o ciepło odprowadzone z układu; L praca obiegu ODWRONY CYKL (OBIEG LEWOBIEśNY) Jest to cykl, który odbywa się odwrotnie do ruchu wskazówek zegara. Zarówno praca obiegu (odprowadzana z układu), jak i praca obiegu (wykonywana przez siły zewnętrzne) mają wartości ujemne. Obiegiem lewobieŝnym charakteryzują się POMPY CIEPLNE lub CHŁODZIARKI, stanowiące odwrotność silnika cieplnego. Aby nastąpiło przekazanie ciepła ze źródła dolnego, o temperaturze niŝszej, do źródła górnego, o temperaturze wyŝszej, trzeba dostarczyć pracę z zewnątrz. Pompa cieplna pobiera ciepło Q d ze źródła dolnego o temperaturze otoczenia ( d = ot ), pobiera pracę napędową i oddaje ciepło Q z do źródła górnego o temperaturze wyŝszej od temperatury otoczenia ( g > ot = d ). Współczynnik wydajności pompy cieplnej: ε = Q L z Chłodziarka pobiera ciepło Q d ze źródła dolnego o temperaturze otoczenia d niŝszej od temperatury otoczenia ot, pobiera pracę napędową i oddaje ciepło Q z do źródła o temperaturze g ( g = ot ). Współczynnik wydajności chłodziarki: ε = Q d L Q z ciepło odprowadzane do źródła górnego Q d ciepło odbierane ze źródła dolnego L praca doprowadzona z zewnątrz

3 YPOWE PORÓWNAWCZE OBIEGI GAZOWE Obiegi gazowe w maszynach cieplnych Obieg Carnota (silnika i pompy cieplnej) Cykl Carnota moŝna podzielić na cztery etapy: 3

4 Sprawność silnika Carnota jest równa: W Qd Qz η = = = 1 d η < 1 Q1 Qd g W praca obiegu Carnota Q d ciepło pobrane ze źródła górnego Q z ciepło oddane do źródła dolnego d temperatura źródła dolnego (chłodnicy) g temperatura źródła górnego (grzejnicy) Sprawność silnika Carnota jest maksymalną sprawnością termiczną silnika cieplnego i zaleŝy wyłącznie od stosunku temperatur. Wniosek ten moŝe być uogólniony na dowolne odwracalne silniki cieplne. 4

5 I twierdzenie Carnota: Wszystkie silniki pracujące w cyklu odwracalnym pomiędzy tymi samymi temperaturami mają tę samą sprawność II twierdzenie Carnota: Sprawność cyklu nieodwracalnego jest znacznie mniejsza od sprawności cyklu odwracalnego. ε d g = εchł < 1 lub εchł 1 lub εpc = εpc > 1 chł > g d g d Obiegi silników spalinowych tłokowych Obieg Sabathe go Najbardziej ogólną postacią obiegu porównawczego dla silników spalinowych tłokowych o zapłonie samoczynnym (szybkobieŝnych) jest obieg Sabathe go, który tworzą następujące przemiany: izentropowe (adiabatyczne) spręŝanie (przemiana 1-), izochoryczne doprowadzanie ciepła (przemiana -3), izobaryczne doprowadzanie ciepła (przemiana 3-4), izentropowe (adiabatyczne) rozpręŝanie do objętości początkowej (przemiana 4-5), izochoryczne odprowadzanie ciepła (przemiana 5-1). 5

6 a) obieg Sabathe go w układzie p-v oraz -S, b) wykres indykatorowy silnika tłokowego o zapłonie samoczynnym Cechą charakterystyczną obiegu Sabathe go jest doprowadzanie ciepła częściowo izochoryczne, a częściowo izobaryczne. Obieg Diesla Obieg Diesla to obieg teoretyczny silnika spalinowego tłokowego o zapłonie samoczynnym składający się z czterech następujących po sobie przemian charakterystycznych: dwóch adiabat odwracalnych (izentrop), izobary i izochory. Obieg Otto Obieg Otto jest to odwracalny obieg termodynamiczny składający się z następujących czterech procesów składowych: 6

7 Obiegi silników spalinowych turbinowych Na obieg Braytona składają się następujące przemiany: adiabatyczne spręŝanie (przemiana 1-), izobaryczne doprowadzanie ciepła (przemiana -3), adiabatyczne rozpręŝanie (przemiana 3-4), izobaryczne odprowadzanie ciepła (przemiana 4-1) Gazowe obiegi chłodnicze 7

8 Obieg Joule a składa się z następujących przemian: adiabatycznego spręŝania (przemiana 1-), izobarycznego odprowadzania ciepła (przemiana -3), adiabatycznego rozpręŝania (przemiana 3-4), izobarycznego doprowadzania ciepła (przemiana 4-1). Wydajność energetyczna obiegu Joule a wynosi: SpręŜanie Schemat spręŝania gazu w spręŝarce 8

9 eoretyczny przebieg procesu jednostopniowego spręŝania (przy pominięciu przestrzeni szkodliwej): a) w układzie p- V, b) w układzie -S eoretyczny proces spręŝania obejmuje: eoretyczny przebieg procesu dwustopniowego spręŝania: a) w układzie p-v, b) w układzie -S 9

10 PAROWE OBIEGI PORÓWNAWCZE Obieg Rankine a Rysunek przedstawia schemat najprostszej siłowni parowej, w której para przegrzana jest rozpręŝania w turbinie parowej od stanu 1 do stanu. Ciśnienie skroplonej wody (stan 3) zostaje podwyŝszone (stan 4) do ciśnienia w kotle parowym za pomocą pompy zasilającej kocioł. Obieg Clausiusa-Rankine-a w układzie p-v i -s Obieg Rankine a jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi parowanie i skraplanie czynnika roboczego czyli siłowni parowych. Obieg ten składa się z następujących przemian: izentropowego (adiabatycznego) rozpręŝania pary w turbinie parowej (przemiana 1-), izobarycznego skraplania rozpręŝonej pary odprowadzenia ciepła w skraplaczu (przemiana -3), izochorycznego spręŝania kondensatu w pompie (przemiana 3-4), izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary (przemiana 4-1). 10

11 Obieg Lindego Obieg Lindego jest obiegiem porównawczym chłodziarek parowych, zatem jest to obieg lewobieŝny. Obieg ten realizowany jest w agregacie składającym się ze spręŝarki, dwóch wymienników ciepła: skraplacza i parowacza oraz tzw. zaworu regulacyjnego, który jest właściwie zaworem dławiącym. SpręŜarka zasysa parę czynnika chłodniczego (np. amoniaku) o ciśnieniu p 1 i spręŝa ją do ciśnienia p podwyŝszając równocześnie jej temperaturę ponad temperaturę nasycenia. SpręŜona para wędruje następnie do skraplacza, w którym jej temperatura obniŝa się do temperatury nasycenia. 11

12 PRZEMIANY I PRAWA GAZOWE Równanie stanu gazu doskonałego (równanie Clapeyrona): p1 v 1 1 Obiegi gazowe w maszynach cieplnych p v = Równanie stanu gazu doskonałego zawiera w sobie wcześniej odkryte prawa empiryczne: prawo Boyle a-mariotte a temperatura przemiany nie zmienia się ( = const) p 1 v1 = p v prawo Charlesa objętość gazu podczas przemiany nie zmienia się (v = const) p 1 = 1 p prawo Gay-Lussaca ciśnienie przemiany nie zmienia się (p = const) V 1 = 1 V Przemiana gazu rzeczywistego jest politropą o wykładniku m, o równaniu: p m m 1 v1 = p v Przemiana politropowa jest przemianą uogólnioną i zawiera w sobie jako przypadki szczególne, wszystkie przemiany charakterystyczne: m=0 przemiana izobaryczna m=1 przemiana izotermiczna m=k przemiana adiabatyczna (izentropowa) m= przemiana izochoryczna 1