TERMOMECHANIKA 12. Cykly tepelných motorů

Transkript

1 FSI U v Brně, Energetický útav Odbor termomechaniky a techniky rotředí rof. Ing. Milan Pavelek, Sc. ERMOMEHANIKA. ykly teelných motorů OSNOA. KAPIOLY Přehled cyklů teelných motorů ykly alovacích motorů ykly lynových turbín ykly reakčních teelných motorů ykly arotrojních zařízení

2 PŘEHLED YKLŮ EPELNÝH MOORŮ arnotův cyklu není možné ukutečnit v reálném zařízení, a roto ro základní filoofii tavby motorů a ro rozbory účinnoti byly zavedeny teoretické cykly. Účinnot teoretických cyklů je vždy menší než u arnotova cyklu a vždy větší než u kutečných motorů. Lokomotiva 8 Začátky hitorie teelných motorů Zdroj: Univerum EOREIKÉ YKLY EPELNÝH MOORŮ DĚLÍME NA: ykly ideálními lyny ykly alovacích motorů ykly lynových turbín ykly reakčních teelných motorů Parní cykly ykly arotrojních zařízení ykly arních trojů (dříve)

3 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - Zjednodušení zavedená u teoretických cyklů ideálními lyny Množtví a ložení lynu v outavě e nemění yklu robíhá ideálními lyny, fyzikální vlatnoti (c, c v, κ aj. ) jou nezávilé na telotě Hoření nahrazujeme řívodem tela z okolí ýfuk nahrazujeme odvodem tela do okolí Jednotlivé děje nahrazujeme vratnými termodynamickými ději, komree a exanze bývají adiabatické SPALOAÍ MOORY DĚLÍME NA -DOBÉ, -DOBÉ A DÁLE NA: Zážehové - benzínové, karburátorové, naávající mě vzduchu a benzínu, e víčkou, nahrazované Ottovým cyklem znětové - naftové, bez karburátorů, naávající vzduch, trykou ro vtřik aliva, nahrazované Dieelovým cyklem Detailnější oi umožní Sabate cyklu či obecný cyklu

4 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - OŮ YKLUS -dobý motor dobý motor ---- Zdvihový objem Z = - Komrení objem K = Komrení oměr = / Izochorický řívod i odvod tela Q H mc Q mc A0 Q H Q mc ηt mc Q ηt - Q H Q H -dobý dq=0 0 dq=0 Q

5 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - η t e vzorci ro termickou účinnot vykrátíme zlomek telotou. člen čitatele vynáobíme / κ η t a ak lze át / = /, viz: - - κ κ t 0 0 0,0 0, ε, f η t κ κ ε η t t lze zvyšovat komrením oměrem

6 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - DIESELŮ YKLUS Q H -dobý Zdvihový objem Z = - Komrení objem K = Komrení oměr = / Stueň lnění = / 0 Q Izobarický řívod tela Izochorický odvod tela Q mc H Q mc P A Q H Q η - Q Q 0 t H mc ηt mc P κ 6

7 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - Po úravách uvedeného výrazu zíkáme termickou účinnot ve tvaru Dieel η t κ ε κ κ η t f κ, ε, ermická účinnot rote: rotoucím komrením oměrem kleajícím tuněm lnění Při tejném komrením oměru je termická účinnot Dieelova cyklu menší než Ottova cyklu, rotože > Dieelův motor racuje většími komreními oměry než Ottův motor, jelikož ro vznícení aliva je třeba vyoká telota tlačeného vzduchu. Zdroj: Univerum 7

8 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - 6 SABAE YKLUS Komrení oměr = / Q H Q H -dobý Stueň lnění = / Stueň zvýšení tlaku = / Izochorický řívod tela Izobarický řívod tela Izochorický odvod tela A 0 QH QH ηt κ- ε Q κ Ψ Q Q H mcv H mc Q mc η - t Q Ψ κψ Q H Q H 0 Q η t f κ, ε,,ψ 8

9 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - 7 OBENÝ YKLUS Komrení oměr = / Q H Q H Stueň lnění = / Stueň zvýšení tlaku = / Q Exanzní oměr = / Pro termickou účinnot lze odvodit vztah 6 Q κ β ε Ψ κ- κ ε β κ ε κ Ψ Ψ - ηt - η t f κ, ε,,ψ, β 6 9

10 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - 8 PORONÁNÍ EOREIKÝH YKLŮ SPALOAÍH MOORŮ PŘI SEJNÝH EXRÉMNÍH EPLOÁH S ARNOOÝM YKLEM Ottův cyklu má oroti arnotovu cyklu relativně malou termickou účinnot, jelikož e jeho růměrné teloty v oblati řívodu a odvodu tela výrazně liší od arnotova cyklu. H arnot HO O Otto HD D Dieel Dieelův cyklu ( větším než Ottův cyklu) má větší termickou účinnot než Ottův cyklu, rotože jeho růměrná telota v oblati řívodu tela e blíží arnotovu cyklu. Skutečné cykly motorů nekoírují termodynamické děje teoretických cyklů, a roto je jejich termická účinnot ještě nižší. 0

11 YKLY SPALOAÍH MOORŮ - 9 SKUEČNÉ YKLY SPALOAÍH MOORŮ Zážehový motor -dobý Zážehový motor -dobý A 0 Z +A 0 Z OS O O OS Z -A 0 ZS ZS Z Z zážeh ředtihem OS / O otevírá ání / výfuk ZS / Z zavírá ání / výfuk Fialové jou výfukové kanály Modré jou ací kanály

12 YKLY PLYNOÝH URBÍN - Plynové turbíny e oužívají ro větší výkony. Rozlišujeme: Plynové turbíny e alováním za kontantního tlaku nahrazované Braytonovým cyklem Plynové turbíny e alováním za kontantního objemu nahrazované Humhreyovým cyklem q H BRAYONŮ YKLUS M S K Č G K komreor S alovací komora turbína G generátor M tartovací motor Č alivové čeradlo Komrení oměr = v / v qh cp Stueň lnění = v / v q cp κ q c ηt... q c η f,ε ε t κ H P q v

13 YKLY PLYNOÝH URBÍN - HUMPHREYŮ YKLUS M a S c K b Č G K komreor S alovací komora turbína G generátor M tartovací motor Č alivové čeradlo a,b,c ventily Komrení oměr = v / v qh c Stueň zvýšení tlaku = / q cp κ / q c κ ψ t... κ- q c ε Ψ η η t H f κ,ε,ψ Se tejným komreorem lze ři izochorickém řívodu tela doáhnout vyšší telotu než u Braytonova cyklu a náledně větší ráci cyklu. q H q v

14 YKLY PLYNOÝH URBÍN - PORONÁNÍ YKLŮ PLYNOÝH URBÍN S ARNOOÝM YKLEM H H,B H,H H,B,H arnot Brayton Humhrey Humhreyův cyklu má ři tejném větší t než Braytonův cyklu (,H <,B ), ale vyžaduje ložitější zařízení arnotův cyklu má ři tejných extrémních telotách vždy největší termickou účinnot t

15 YKLY REAKČNÍH EPELNÝH MOORŮ - Reakční teelné motory e oužívají ro ohon doravních rotředků ve vzduchu a v komu. Rozlišujeme: Proudové motory bezkomreorové NÁPOROÉ (Braytonův cyklu) a bezkomreorové PULZAČNÍ (Humhreyův cyklu). hodné ro třely, vyžadují tartovací zařízení (katault, letadlo). Proudové motory URBOKOMPRESOROÉ (Braytonův cyklu). hodné ro vojenké i doravní letadla, tartují z nulové rychloti, bývají ekonomičtější než vrtulové motory ro w > 0 m. -. RAKEOÉ motory. hodné ro vemír či rotředí malým obahem O, vezou i ebou alivo i okyličovadlo.

16 YKLY REAKČNÍH EPELNÝH MOORŮ - PROUDOÉ MOORY BEZKOMPRESOROÉ NÁPOROÉ P w w w w I II III I II III a) Podzvukový motor b) Nadzvukový motor ε κ η t f κ,ε η t je malé, účinnot termická je až % Za II. větové války měly takové motory ředchůdci německých zbraní. Pro malou účinnot čato havarovaly, a roto nebyly naazeny P I difuzor II alovací komora III výtuní dýza P alivo q H Braytonův cyklu q v 6

17 YKLY REAKČNÍH EPELNÝH MOORŮ - PROUDOÉ MOORY BEZKOMPRESOROÉ PULZAČNÍ P I difuzor w w II alovací I II III komora III výtuní dýza P alivo Klaky Zúžení ηt - κ / κ ψ κ ε Ψ η t Se tejným je termická účinnot vyšší než u náorových motorů. f κ,ε,ψ q H Humhreyův cyklu q Zdroj: Wikiedia v Za II. větové války měly tyto motory německé zbraně. zhledem k loché dráze letu byly doažitelné ro leteckou obranu. 7

18 YKLY REAKČNÍH EPELNÝH MOORŮ - PROUDOÉ MOORY URBOKOMPRESOROÉ w w 6 I II P III I 6 I difuzor II komreor III alovací komora I turbína výtuní dýza P alivo q H Braytonův cyklu q 6 v Mají větší komrení oměr a tudíž i větší účinnot Čát exanze robíhá v turbíně (děj -), kterou ohání turbokomreor (děj -) Motor lze tartovat z klidu a je vhodný ro w > 0 m. - ah roudových motorů F [N] F m w 6 w ýkon roudových motorů P [W] P F w w 6 w m w 8

19 YKLY REAKČNÍH EPELNÝH MOORŮ - urbokomreorové motory mohou být dále modifikovány, viz nař.: urbovrtulové motory kde turbokomreorový motor ohání vrtuli, většinou ře řevodovku, čímž lze docílit nízkou otřebou aliva. urbodmychadlové (dvouroudové) kde turbokomreorový motor ohání dmychadlo, čímž lze doáhnout velkých výkonů, nížení hluku 7% % Zdroj: Sedláček Boeing Dreamliner 787 Roll Royce - REN, hřídele 9

20 YKLY REAKČNÍH EPELNÝH MOORŮ - 6 RAKEOÉ MOORY Palivo: uhé, kaalné, (lynné,) Stuně různými fázemi Při exanzi do vakua je / = 0, roto by byla třeba nekonečně dlouhá Lavalova dýza (dlouhá dýza, velké hydraulické ztráty). Délka rozšiřující e čáti Lavalovy dýzy e roto očítá z rychloti vyočtené ze vztahu w w S S q Na konci II. větové války měly raketové motory německé zbraně, řiravené ro naazení. Nebyly doažitelné leteckou obranou. Užitečný náklad Okyličovadlo Palivo Čeradla Salovací komora ryka Raketa na kaalné alivo n Zdroj Wikiedia kde q n [J/kg] je výhřevnot aliva 0

21 YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - Parotrojní zařízení e oužívá v teelných a jaderných elektrárnách ro ohon generátoru elektrické energie. Jedná e o velké tacionární motory ro velké výkony, u kterých je významné i neatrné zvýšení účinnoti. Pracovní látkou je H O. latní cyklu je rinciiálně nezávilý na zdroji tela, kterým může být kotel na evná, kaalná či lynná aliva, nebo jaderný reaktor. Přednáška je zaměřena na: arnotův cyklu v oblati mokré áry Rankineův-lauiův cyklu yklu arotrojního zařízení řehřevem áry yklu arotrojního zařízení řehřevem a znovuřehřevem áry

22 YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - ARNOŮ YKLUS OBLASI MOKRÉ PÁRY kr q H h kr H kr Nereálný cyklu a 0 q v K N Q H Q G a 0 urbína Kondenzátor N Naáječka? K Kotel G Generátor q q a N <<a H H t qh t H η q η

23 YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - RANKINEŮ-LAUSIŮ YKLUS (orovnávací ro arotrojní zařízení) q H kr a 0 q K N H O Q H Q v G kr a 0 q odvádí chladicí voda do chladicích věží, tam e chladí vodou nař. z řeky h Staré elektrárny Jaderné elektrárny kr a N <<a q H h h dq=dh+da t dq=dh-vd q h h a h h a N h h a h h ηt q h h H

24 YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - YKLUS S PŘEHŘEEM PÁRY kr q H a 0 q v K K K 6 7 N Q H H O Q kr a 0 Q H Q H G 7 h kr 6 q H K Předehřívák K Kotel K Přehřívák q h h Otrá ára a h h 00-0 a h -0 MPa h ηt i více q H h h 7 h h a N <<a

25 YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - YKLUS S PŘEHŘEEM A ZNOUPŘEHŘEEM PÁRY kr kr q H y x y a 0 x a 0 q h kr 6 v y 7 x a N <<a K K K 6 7 N QH Q H Q H H x O K Q Q H y G yokotlaká turbína Nízkotlaká turbína K Přehřívák znovuřehřevu Znovuřehřevy arnotizace Znovuřehřevy brání exanzi do mokré áry