Κύκλοι ή Κύκλα Ισχύος με Αέρα ΑΝΟΙΚΤΟΙ- ΚΛΕΙΣΤΟΙ ΚΥΚΛΟΙ

Transcript

1 Παραγωγή Ισχύος Παραγωγή Ψύξης ΚΥΚΛΟΙ - ΜΗΧΑΝΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΙΣΧΥΟΣ (ΚΠΙ) ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΨΥΞΗΣ Κύκλοι ή Κύκλα Ισχύος με Αέρα ΚΥΚΛΟΙ ΑΕΡΙΟΥ ΚΥΚΛΟΙ ΑΤΜΟΥ ΑΝΟΙΚΤΟΙ- ΚΛΕΙΣΤΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ (ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΑΠΌ ΚΛΙΒΑΝΟ-ΠΥΡΗΝΙΚΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ- ΗΛΙΟ,ΚΛΠ) ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ (ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΑΠΌ ΚΑΥΣΗ ΚΑΥΣΙΜΟΥ) Διαφάνεια Διαφάνεια Βασικές Θεωρήσεις Ανάλυσης ΚΠΙ n w q net Κύκλος Carnot-Πραγματικοί κύκλοι in Κύκλος Carnot και η Αξία του στην Μηχανική Παραδοχές εξιδανίκευσης -αγνοούνται τριβές, πτώση πίεσης ρευστού -ημιστατικότητα, χρόνοι αποκατάστασης ισορροπίας -μετάδοση θερμότητας σε σωληνώσεις και εξαρτήματα αμελούνται -Μεταβολές κινητικής-δυναμικής ενέργειας αμελούνται -εσωτερική αντιστρεπτότητα w T q T net n in C H Διαφάνεια Διαφάνεια

2 Οι Παραδοχές του Πρότυπου Αέρα Οι παραδοχές του πρότυπου αέρα για μηχανές εσωτερικής καύσης -Το ρευστό λειτουργίας είναι αέρας που συμπεριφέρεται σαν Ι.Α. -Οι διεργασίες του κύκλου είναι εσωτερικά αντιστρεπτές -Διεργασία καύσης αντικαθίσταται από διεργασία προσθήκης θερμότητας από εξωτερική πηγή -Η διεργασία εξαγωγής του ρευστού λειτουργίας αντικαθίσταται από διεργασία απόρριψης θερμότητας που επαναφέρει το ρευστό στην αρχική του κατάσταση Επιπλέον οι παραδοχές του πρότυπου κρύου αέρα -Ο αέρας έχει σταθερές ειδικές θερμότητες με τιμές σε θερμοκρασία δωματίου 5 ο C (77 ο F) Ανασκόπηση Παλινδρομικών Μηχανών Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 6 Παραδείγματα θερμικών μηχανών Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (Otto Dieel) Μηχανές με ανάφλεξη σπινθήρα Ο κύκλος Otto Λόγος συμπίεσης v r v Μέση αποτελεσματική πίεση max min v v W MEP net V V max min Διαφάνεια 7 Διαφάνεια 8

3 Ιδανικός κύκλος Otto Πραγματική τετράχρονη μηχανή με σπινθήρα - Εισαγωγή μίγματος αέρα-καυσίμου σε P - Συμπίεση σε P - Καύση, V = σταθ. και αυξανόμενη P -5 Εκτόνωση 5-6 Εξαγωγή σε σταθερό V και μειούμενο P 6- Εξαγωγή σε P Προσέγγιση Ιδανικού κύκλου αέρα (Σταθ. μάζα, κλειστός, εσωτερικά αντιστρεπτός κύκλος) - Ισεντροπική συμπίεση - Προσθήκη θερμότητας υπό σταθερό όγκο - Ισεντροπική εκτόνωση - Αποβολή θερμότητας υπό σταθερό όγκο Διαφάνεια 9 Διαφάνεια 0 Τετράχρονος Κινητήρας Κύκλος Βενζινοκινητήρα (Otto) Διαφάνεια Διαφάνεια

4 Ο κύκλος Otto p = Contant T Απόδοση Κύκλου Otto 5 6 V P-V διάγραμμα για τον πραγματικό κύκλο (μεταβλητή μάζα) 6 5 V = Contant T- διάγραμμα για το σύστημα σταθερής μάζας. wnet qout c(t v T) T(T/T ) n q q c (T T ) T (T /T ) in in v Οι - και - είναι ισοτροπικές άρα: k k T v v T T T και T v v T T T n r k Διαφάνεια Διαφάνεια Απόδοση του κύκλου Otto Κύκλος Otto πραγματικών αερίων Μεταβλητές ειδικές θερμότητες. Απόδοση βασισμένη σε εσωτερικές ενέργειες από πίνακες αερίων που λαμβάνουν υπ όψιν τις μεταβλητές ειδικές θερμότητες. u u 5 u u 6 ( r,, QH v T ),6 m TOT T Q C 5 V = Σταθερό Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 6

5 Ασκήσεις Ασκησηη. (Θέμα 9/09.0μ). Αέρας σε πίεση 95kPακαι 00 Κ συμπιέζεται σε ένα ιδανικό κύκλο Ottομε λόγο συμπίεσης 8. Κατά την διαδικασία της καύσης, θερμότητα 750 kj/kg προστίθεται στον αέρα. Υπολογίστε α) ) τον ειδικό όόγκο, την πίεση και θερμοκρασία στα σημεία του κύκλου β) την θερμική απόδοση του κύκλου, και την ΜΕΠ γ) την ισχύ της μηχανής εάν χρησιμοποιεί kg/min αέρα Yποθέστε ότι ο αέρας είναι ιδανικό αέριο. Να λυθεί και για ειδικές θερμότητες που μεταβάλλονται με την θερμοκρασία και για σταθερές ειδικές θερμότητες. P(KPa) v(m /kg) T(K) Q = 750 kj/kg Q = kj/kg W net = kj/kg n= P= kw Δίχρονη παλινδρομική μηχανή Διαφάνεια 7 Διαφάνεια 8 Περιστροφικός κινητήρας Wankel Χτύπημα σε μηχανή ανάφλεξη με σπινθήρα Διαφάνεια 9 Διαφάνεια 0 5

6 Κύκλος DIESEL Μηχανές με ψεκασμό καυσίμου Ο κύκλος Dieel Διαφάνεια Διαφάνεια Κύκλος Dieel Κύκλος DIESEL wnet qout c(t v T) n q q c (T T ) in in p T(T /T ) n kt (T / T ) v r c λόγος αποκοπής v v v r λόγος συμπίεσης r k c n r k k r c Διαφάνεια Διαφάνεια 6

7 Ασκήσεις Ασκηση η. (Θέμα.0μ). Ένας κανονικός κύκλος Dieel έχει λόγο συμπίεσης 8, και η θερμότητα που μεταφέρεται προς το εργαζόμενο μέσο (αέρας) ρ ανά κύκλο είναι 800 kj/kg. Στην αρχή της διαδικασίας συμπίεσης ηςηη πίεση είναι 0. MPa και η θερμοκρασία 7 ο C. Να υπολογιστούν:. Η πίεση η θερμοκρασία και ο ειδικός όγκος σε όλα τα σημεία του κύκλου.. Ο λόγος αποκοπής, το παραγόμενο έργο ανά κύκλο και η θερμική απόδοση. Υποθέστε ότι ο αέρας συμπεριφέρεται σαν ιδανικό αέριο με μεταβλητές ειδικές θερμότητες. Ο κύκλος Brayton Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 6 Γενικά χαρακτηριστικά αεροστροβίλου μηχανής αεροπλάνου Αέρας εισαγ. Καύσιμο Καυστήρας Καυσαέρια & και έργο, εξόδου W turb Συμπιεστής Στρόβιλος Άξονας κίνησης Συμπιεστή,, W comp Διαφάνεια 7 Διαφάνεια 8 7

8 Ο κύκλος Brayton Οι σύγχρονοι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν σε ανοιχτό κύκλο Brayton. Αέρας ρ ςαπό το περιβάλλον ρβ εισέρχεται στην εισαγωγή. Τα καυσαέρια απελευθερώνονται στο περιβάλλον Ο κύκλος Brayton πρότυπου αέρα είναι ένας κλειστός κύκλος.. Διαδικασίες εσωτερικά αντιστρεπτές. Ο αέρας θεωρείται Ιδανικό αέριο. Ο κλειστός, κύκλος πρότυπου αέρα αεριοστροβίλου. Ο ανοιχτός πραγματικός κύκλος αεριοστροβίλου. W COMP Q L WTURB TURB Διαφάνεια 9 Διαφάνεια 0 p Q Q C = Contant V T Κύκλος Brayton πρότυπου αέρα p = p T W IN Q C p = p W OUT p = p Θερμική απόδοση ιδανικού κύκλου Brayton Q C p =p W OUT W Q H in ( h h ) h h h h = = Διαφάνεια Διαφάνεια 8

9 Κύκλος BRAYTON Ιδανικός κύκλος αεριοστροβίλων q q w w h h in out in out exit inlet qin h h c p(t T ) q h h c (T T ) out p w q c(tt) T(T /T ) n q q c (T T ) T (T /T ) net out p in in p (k)/k (k)/k P P T T και P P,P P T P P T P r p λογος πιεσεων P n r (k )/k p Διαφάνεια T W IN Q C p = p W OUT p = p P P Θερμική απόδοση ιδανικού κύκλου Brayton Ιδ. Αέριο, h-hh 0 = C p (T - T 0 ). Οι διαδικασίες συμπίεσης και εκτόνωσης είναι ισεντροπικές με σταθερό k. ( k ) k Διαφάνεια Κύκλος BRAYTON Ιδανικός κύκλος αεριοστροβίλων Ασκήσεις Ασκηση η. (Θέμα.0μ). Αέρας με παροχή 5m / εισέρχεται στον συμπιεστή ενός ιδανικού κύκλου Brayton σε πίεση 00 kpa και θερμοκρασία ρ 00 Κ και στον στρόβιλο ρβ σε θερμοκρασία ρ 00 Κ. Ολόγος πιέσεων του συμπιεστή είναι 0. Να υπολογιστούν η θερμική απόδοση, ο λόγος επιστροφής έργου και η καθαρή ισχύς της μονάδας σε kw, εφαρμόζοντας τις παραδοχές του πρότυπου αέρα και θεωρώντας ειδικές θερμότητες που μεταβάλλονται με την θερμοκρασία. Αν στη μονάδα χρησιμοποιηθεί ένας ιδανικός αναγεννητήρας (προθερμαντήρας) πως μεταβάλλονται οι ποσότητες αυτές; Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 6 9

10 Αεριοστρόβιλοι Περιοχές Εφαρμογών Προώθηση αεροσκαφών Παραγωγή Ηλεκτρικής Ισχύος Jet-Ελικοφόρα Εφεδρικά Συστήματα-Συστήματα αιχμής Σε συνδυασμό με ατμοστροβίλους Προώθηση ναυτικών σκαφών Πχ General Electric LM500 Θερμ. Αποδ. 7% General Electric WR-με αναγέννηση ΘΑ %, Ισχύς MW(900 hp) Ανάπτυξη Αεριοστροβίλων Δεκαετίες 0-50 Θερμικές αποδόσεις 7%, με χαμηλές αποδόσεις στροβίλου συμπιεστή, χαμηλές θερμοκρασίες εισόδου στροβίλου Βελτιώσεις. Αύξηση Θερμοκρασίας εισόδου στον στρόβιλο από 50 0 C σε 5 0 C Νέα υλικά-τεχνικές Ψύξης-Καυσαέρια. Αύξηση αποδόσεων συστατικών στοιχείων Ισεντροπικέςαποδόσεις-Αεροδυναμικός σχεδιασμός. Επιπρόσθετες τροποποιήσεις στο βασικό κύκλο Ενδιάμεση Ψύξη-Αναγέννηση-Αναθέρμανση (υψηλό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας) Αύξηση της απόδοσης του απλού κύκλου στο 0% Διαφάνεια 7 Διαφάνεια 8 Αποκλίσεις Πραγματικών Κύκλων Αεριοστροβίλων -Πτώση πίεσης στους αγωγούς -Ισεντροπικές αποδόσεις στροβίλου-συμπιεστή n n c T w h h w h h w h h w h h a a a a Βελτιώσεις του κύκλου Αναγέννηση Μειώνει τις απαιτήσεις της προσδιδόμενης θερμότητας όηαςκαι της θερμότητας όηαςπου απορρίπτεται. α Ενδιάμεση ψύξη (Inter-cooling) Μειώνει την μέση θερμοκρασία της διαδικασίας συμπίεσης (και άρα τον ειδικό όγκο) Αναθέρμανση Αυξάνει την μέση θερμοκρασία της διαδικασίας πρόσδοσης θερμότητας. Διαφάνεια 9 Διαφάνεια 0 0

11 Ο απλός ανοικτός κύκλος Brayton. Ο κύκλος Brayton με αναγέννηση Η αναγέννηση επιτυγχάνεται προθερμαίνοντας το αέρα της καύσης από τα καυσαέρια της τουρμπίνας. 5 W IN W COMP W OUT W TURB Διαφάνεια Διαφάνεια T,h x y Q C Εσωτερική μεταφορά θερμότητας, ( x). Το μέγιστο όφελος της αναγέννησης επιτυγχάνεται όταν η θερμοκρασία T y εξισώνεται με τηνt από τον αναγεννητικό εναλλάκτη. T,h η CYCLE x y Q C Ο ιδανικός αναγεννητής Ο ιδανικός αναγεννητής Θερμαίνει τον αέρα καύσης σε T ( h h ) ( h h ) y x h h h h Διαφάνεια Διαφάνεια

12 T,h x x y Q C y Ο πραγματικός αναγεννητής Πραγματική εσωτερική μεταφορά Θερμότητος γίνεται ανάμεσα στις καταστάσεις x. Η αποτελεσματικότητα του αναγεννητή είναι ο λόγος της πραγματικής προς την μέγιστη μεταφερόμενη θερμότητα. C(T p x T) (Tx T ) C (T T ) (T T ) p T,h η cycle x x y Q C in y Θερμική απόδοση Η αναγέννηση μειώνει την καθαρή μεταφορά θερμότητας. Wnet ( h h) ( h h) Q h h x Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 6 ΟΚύκλος Brayton με Αναγέννηση q h h reg,act 5 q h h h h Ιδανικος αναγενν. reg,max 5' h5 h T5 T ε= Αποτελεσματικοτητα h h T T T (k)/k n rp T Διαφάνεια 7 Διαφάνεια 8

13 Ο κύκλος Brayton με ενδιάμεση ψύξη (inter-cooling) Ο κύκλος Brayton με μια βαθμίδα ενδιάμεσης ψύξης W COMP W TURB Διαφάνεια 9 Διαφάνεια 50 T Ο κύκλος Brayton με αναθέρμανση 6 Μια βαθμίδα ενδιάμεσης ψύξης Aναποτελεσματικότητες συμπιεστών και τουρμπίνας Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 5

14 T,h Q Q ΟΚυκλος Brayton με ενδιάμεση ψύξη, Αναθέρμανση και Προθέρμανση (Αναγέννηση) Q c Q 6 Η αναθέρμανση σε μια ενδιάμεση πίεση αυξάνει την προσθήκη ενθαλπίας στον κύκλο χωρίς αύξηση της θερμοκρασίας του κύκλου. Για βελτιστοποίηση έργων ίσοι λόγοι πιέσεων στις βαθμίδες P P P 6 P 8 και P P P7 P9 Διαφάνεια 5 Διαφάνεια 5 ΙΔΑΝΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΠΡΟΩΣΗΣ Διαφάνεια 55 Διαφάνεια 56

15 Ιδανικοί προωθητικοί κύκλοι in Μηχανές πρόωσης Propeller Jet ή Turbojet Turboprop Ωση F (m V) (m ) inlet m( exit V Vexit Vinlet ) (N) Προωθητικη ισχυς W P FV. m( Vexit Vinlet ) V. (kw) Προωθητικη αποδοση W P hp Q Αρχές της πρόωσης Jet - ΩΣΗ Από θερμοδυναμική άποψη η αποστολή της μηχανής είναι η μετατροπή της χημικής ενέργειας του καυσίμου σε κινητική ενέργεια του αέρα που διέρχεται από την μηχανή Τα ακόλουθα τμήματα της μηχανής επιτυγχάνουν αυτή την μετατροπή και καθορίζουν την αποδοτικότητά της: ΑΓΩΓΟΣ ΕΙΣΟΔΟΥ (ΔΙΑΧΥΤΗΣ) Μετατρέπει την κινητική ενέργεια του αέρα σε αύξηση της πίεσης επιβραδύνοντας την ροή ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣ Αυξάνει την πίεση του αέρα για αύξηση της απόδοσης του κύκλου ΚΑΥΣΤΗΡΑΣ Προσθέτει χημική ενέργεια στον αέρα για παραγωγή ισχύος στην τουρμπίνα και παραγωγή της επιθυμητής ώσης ΤΟΥΡΜΠΙΝΑ (ΣΤΡΟΒΙΛΟΣ) Εξάγει ενέργεια από τα θερμά καπναέρια και οδηγεί τον συμπιεστή και τα συστήματα του αεροσκάφους ΑΓΩΓΟΣ ΚΑΙ ΑΚΡΟΦΥΣΙΟ ΕΞΟΔΟΥ Συλλέγει, ευθυγραμμίζει και επιταχύνει τον αέρα (αέρας+καυσαέρια) Διαφάνεια 57 Διαφάνεια 58 Βασικά μέρη της μηχανής Βασικά τμήματα αεριοστροβίλου Εισαγωγή Συμπιεστ. Συμπιεστής υψηλής χαμηλής πίεσης πίεσης Καυστήρας Τ Τ Υ Χ Π Π Ακροφύσιο ΤΥΠ = Τουρμπίνα υψηλής πίεσης ΤΧΠ = Τουρμπίνα χαμηλής πίεσης Συμπιεστής Τουρμπίνα Καυστήρας Ακροφύσιο Διαφάνεια 59 Διαφάνεια 60 5

16 Προωθητικοί κύκλοι και μηχανές Turbojet Τύποι Μηχανών Turbofan Turboprop-PropJet Turbohaft Διαφάνεια 6 Διαφάνεια 6 Turbojet Turbofan Διαφάνεια 6 Διαφάνεια 6 6

17 Turboprop Φυγοκεντρικός Συμπιεστής Αξονικός Συμπιεστής Διαφάνεια 65 Διαφάνεια 66 Ροή σε Αξονικό Συμπιεστή Ροή σε Τουρμπίνα Διαφάνεια 67 Διαφάνεια 68 7

18 ΘΑΛΑΜΟΣ ΚΑΥΣΗΣ...με διαγραμματικό τρόπο ΣΩΛΗΝΟΕΙΔΗΣ ΤΥΠΟΣ ΘΑΛΑΜΟΥ ΚΑΥΣΗΣ (CAN TYPE) Διαφάνεια 69 Διαφάνεια 70 Μεταβολές Στατικής Θερμοκρασίας και Πίεσης διαμέσω της μηχανής Τύποι Μηχανών F m (V e -V i ) Turbojet μεγάλη μεταβολή ταχύτητας Στατική Θερμοκρασία (R) Στατική 50 Πίεση 00 (pia) ΧΛΠ Turbofan - μεγάλη μεταβολή ταχύτητας & αυξημένη ροή μάζας ΥΛΠ Turbofan πολύ μεγάλη ροή μάζας & μικρή αύξηση ταχύτητας Turboprop ενέργεια από την χαμηλής πίεσης τουρμπίνα μέσω ενός κιβωτίου κινεί μια έλικα. Μεγάλη ροή μάζας, πολύ μικρή μεταβολή ταχύτητας στην έλικα Turbohaft (παρόμοιο με turboprop) κινεί ένα ρότορα ή άξονα ισχύος Ramjet - M> εφαρμογές, μεγάλη ροή μάζας & μικρή αύξηση ταχύτητας SCRAMjet - M>5 εφαρμογές, πολύ μεγάλη ροή μάζας & μικρή αύξηση ταχύτητας Διαφάνεια 7 Διαφάνεια 7 8