Termomechanika 5. přednáška

Transkript

1 Termomechanika 5. přednáška Miroslav Holeček, Jan Vychytil Upozornění: Tato prezentace slouží výhradně pro výukové účely Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Byla sestavena autory s využitím citovaných zdrojů a veřejně dostupných internetových zdrojů. Využití této prezentace nebo jejich částí pro jiné účely, stejně jako její veřejné šíření je nepřípustné.

2 Úloha pro konstruktéra: Navrhni tepelný stroj s co možná nejvyšší termickou účinností. 1. Stroj bude pracovat mezi dvěma danými teplotami: T h a T l 2. Stroj v jednom cyklu vykoná práci o dané velikosti A. Výsledek: jde o vratný stroj, jehož termická účinnost je Tedy A Q1 Q2 η = = = 1 Q Q 1 1 η = δ 1 1 δ T T l h T T h l Čím vyšší je teplota ohřívače vůči chladiči, tím vyšší je termická účinnost. 2

3 Můžeme však konstruovat vratné oběhy, ve kterých je médium v kontaku s proměnnou externí teplotou T h adiabaty T l 1 Q 1? 2 A? 4 izotermy 3 Q 2 3

4 Můžeme však konstruovat vratné oběhy, ve kterých je médium v kontaku s proměnnou externí teplotou izotermy T h adiabaty T h T l 1 Q 1 A 2 4 izotermy 3 Q 2 T l T η <1 T l h 4

5 Úvaha o fiktivním Carnotově oběhu uvnitř libovolného vratného oběhu p T 2 T T h T h T1 ηi = 1 < 1 T 2 T T l h T 1 izotermy T l adiabaty η <η Carnot 5

6 Lenoirův oběh Lenoirův motor

7 Lenoirův oběh Dáno: ; ; izochorický souč. zvýšení tlaku 7

8 η = 1 ψ κ ψ 1 κ 1 1 T l T h p2 Th ψ = = δ p T 1 l κ >1 8 ( η Carnot = 1 δ 1 )

9 Spalovací motory 9

10 Dvoudobý zážehový motor (převzato z: Prof. S. Beroun, Vozidlové motory)

11 Čtyřdobý zážehový motor (převzato z: Prof. S. Beroun, Vozidlové motory)

12 Ottův (výbušný) oběh idealizace Přívod a odvod tepla se uskutečňuje ve velmi krátkém čase - beze změny pohybu pístu p 2 = 1,5 MPa, t 2 = 300 o C p 3 = 6,5 MPa, t 3 = o C

13 Ottův (výbušný) oběh Dáno: ; ; : kompresní poměr : ; ; 13

14 Ottův (výbušný) oběh T h T l η <1 T T l h ψ >1 14

15 Dieselův (rovnotlaký) oběh p 2 = 4,2 MPa t 2 = 550 o C t 3 = o C Rovnotlaký Dieselův cyklus vznětového motoru je charakterizován velmi vysokými tlaky před vstřiknutím rozprášené nafty do válce, která poté hoří za téměř konstantních tlaků. Je podobný Ottově cyklu, pouze se liší ve způsobu přívodu tepla. 15

16 Dieselův (rovnotlaký) oběh Dáno: ; ; ; : : v 4 = v 1 16

17 Dieselův (rovnotlaký) oběh 17

18 Porovnání výbušného oběhu s rovnotlakým a) Předpoklady: b) Předpoklady: (tak, že 3R je nad 3V) při ději 1 -> 2R stlačujeme déle než při ději 1 -> 2V, tj. na menší objem 18

19 Carnotův oběh: η =1 T T o p 19

20 c) Předpoklady: 20

21 c) Předpoklady: η V =1 T T 41V 23V Carnot V 21

22 c) Předpoklady: T T 41R 41R 41V η R = 1 = 1 < 1 =ηv T23 R T23 V T23 V T R Pokud platí T23 V = T23 R Carnot R R 22

23 Pro izotermický děj čárkovaná vodorov. úsečka dodané teplo při izochorickém ději 2 -> 3V změna entropie při izochorickém ději 2 -> 3V Pro T = T 23 V 23R a tedy předchozí platí, tj. η > η V R 23

24 d) Předpoklady: Z rovnosti ploch a z toho, že křivka v=konst je strmější v diagramu T-s než p=konst, vyplývá, že křivka 2V->3V je pod 2R->3R a tedy při náhradě vodorovnými úsečkami platí níže uvedené vztahy 24

25 Sabatův (smíšený) oběh zmodernizovaný Dieselův Jedná se o zmodernizovaný Dieselův vznětový oběh. V dnešní době velmi používaný. Podstata smíšeného přívodu tepla tkví ve velmi rychlé indukci nafty do válce. Palivo pak hoří částečně při konstantním objemu a částečně i při konstantním tlaku. 25

26 v = Sabatův (smíšený) oběh Dáno: : 5 = v1, v3 v2 ; ; ; ; 26

27 Sabatův (smíšený) oběh,, 27

28 Plynové turbíny 28

29 Kompresor spalovací turbíny nasává atmosférický vzduch, který stlačí na vyšší tlak, doprovázený vzestupem teploty. Stlačený vzduch se vede do spalovací komory, kam se průběžně vstřikuje palivo, které se v stlačeném vzduchu spaluje. Spalovací komora není uzavřená a vede spaliny na lopatky turbíny, takže dochází jen k mírnému nárůstu tlaku spalin. Energie získaná spálením paliva se přemění hlavně na tepelnou a kinetickou energii spalin. Na lopatkách turbíny se část energie spalin přemění roztáčení rotoru turbíny. Část vytvořené mechanické energie se použije na pohon turbokompresoru. Přebytečná část zůstává ve formě tepelné a kinetické energie spalin. 29

30 Ericsson-Braytonův oběh (idealizace plynové turbíny) ; ; ; ; ohřev Pro : 30

31 Ericsson-Braytonův oběh Pak Pro : Stejná účinnost u Ottova oběhu 31

32 Pozn.: Jestliže je, lze využít část tepla k ohřevu plynu za kompresorem Nové značení: izoterma 32

33 Pozn.: Práce turbíny (adiabat.): ; Práce kompresoru: 33

34 Teplovzdušný motor s izotermickou expanzí a kompresí 19. stol vnější spalování, pracovní médium vzduch 34

35 Humpreyův oběh Pulzační tryskový motor Holzwartova turbína 35

36 Stirlingův oběh 1816 konkurence parního stroje Vysoká účinnost, lib. zdroj tepla Obrácený oběh (tepelné čerpadlo, chladič) η Carnot T = 1 min T max dvě teploty 36

37 Stirlingův oběh 37

38 Stirlingův oběh 38 Teplo přivedené v ději 2-3 je plně kompenzováno teplem odvedeným v ději 4-1. To znamená, že fakticky se výměna tepla mezi plynem a okolím odehrává pouze při izotermických dějích, máme tedy naprostou analogii Carnotova cyklu.

39 Stirlingův chladicí oběh Chlazení, tepelné čerpadlo Obrácený Carnot 39

40 Kompresory Jednostupňový pístový kompresor pv vtlačovací práce Izotermická komprese energeticky méně náročná 40

41 Škodlivý objem Poměrná velikost škodliv. objemu Objemová účinnost,! 41

42 Dvoustupňová komprese s mezichlazením Izotermická komprese energeticky méně náročná 42

43 Dvoustupňová komprese s mezichlazením Optimální dělící tlak: T x = T = T = T 1 T = A B C T A 43

44 Konec Děkuji za pozornost