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
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)
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
YKLY SPALOAÍH MOORŮ - OŮ YKLUS -dobý motor 0------0 -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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - YKLUS S PŘEHŘEEM PÁRY kr 6 7 6 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
YKLY PAROSROJNÍH ZAŘÍZENÍ - YKLUS S PŘEHŘEEM A ZNOUPŘEHŘEEM PÁRY kr kr q H y 6 7 6 7 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