11. Kružni procesi Uvod

Transcript

1 . Kružni rocesi. Uvod U termodinamici izučavamo onašanje radne sustancije od dejstvom soljašnjih energetskih uticaja (radova i tolote). U tehničkoj raksi su od osebnog značaja slučajevi kada je dejstvo tih uticaja stalno. Pr. (mehanički)- Reverzibilna hidrocentrala Bajna Bašta sontano, zbog razlike u otencijalnim energijama, javlja rotok vode. U normalnim uslovima radi kao hidrocentrala U slučajevima kada ima viška struje u sistemu radi kao uma (troši struju) i stvara akumulaciju vode U termotehnici olotni izvor i Φ ( Q) ontano se javlja tolotni rotok olotni onor 0

2 Kako da ga iskoristimo? umetanjem radnog fluida olotni izvor i amb x [ m] Pri redaji tolote gasu on se širi i okreće kli, koji okreće zučastu letvu, koja reko zučanika odiže teret vrši rad Kretanje letve ograničeno: dimenzijama temeraturama..., Za trajno (ermanentno) odizanje tereta, vršenje rada, radni fliuid je otrebno vratiti u očetno (olazno) stanje, a roces onoviti! Kako? Predajom tolote radne materije okolini tolotnom onoru Ošta šema energetskih tokova desnokratnih kružnih rocesa olotni izvor i Φ rim ( Q rim ) neohodno energetsko destvo okoline okoline Q rim ( ) Φ rim Radni fluid Q red ( ) Φred W k ( P k ) P ( W k k ) željena osledica, željeno energetsko dejstvo na okolinu olotni onor Φ red ( Q red ) soredno (osledično) energetsko dejstvo vrha ostojanja desnokratnih kružnih rocesa je ermanentno dobijanje (vršenje, obavljane) rada na račun rimljene tolote Za retvaranje tolote u rad P k ( W k ), između ostalog, otrebno je obezbediti tolotni izvor iz koga će radni fluid rimati tolotu ( Qrim, Φ rim ), radni fluid, tolotni onor, kome će radni fluid redati tolotu Φ red ( Q red ), kako bi mogao da se vraća u olazno stanje. 0

3 ermodinamički steen korisnosti Mera (energetskog) kvaliteta desnokretnih kružnih rocesa oisuje se termodinamičkim steenom korisnosti Wk P ηt = = Q Φ rim k rim željeno energetsko dejstvo D na okolinu = neohodno energetsko dejstvo okoline na D mer desnokretnih kružnih rocesa Q r i m Q rim A δq = 0 A min δq = 0 B max B Q r ed Q red min max Matematički negativan like su slične za sve vrste gasova (idealne, oluidealne, realne) Analiza desnokretnih rocesa Prvim rinciom termodinamike (zatvoren D) Posmatra se rost zatvoren termodinamički sistem (nr. cilindar sa kliom i gasom u njemu) δq+ δw = du integraljenjem o zatvorenoj konturi, od olaznog stanja() do krajnjeg stanja (): Q + W = U U = 0 A B, A B vazna činjenica koja važi i zasveostale veličinestanja A + B + k = 0 Q Q W Qrim Qred + Wk = 0 Wk = Qrim Qred 0

4 δ δ Na osnovu ovoga sledi: Q Q Q ηt = = Q Q rim red red rim rim Za ravnotežne rocese -W k Q rim Q red W k = d A Q = 0 max A C Q = 0 -W k -W k B δq = 0 min B Q = 0 D min max W k = d W = W + W k, A B, B A W = W + W k,izvršen,uložen W k = d W = W + W k teh, C D, D C Wk = Wteh,izvršen + Wteh,uložen 05

5 d. Karnoov (Carnot) kružni roces adi Carnot, 8 Karnoov kružni roces je termodinamički najbolji kružni roces ovratni kružni roces Karnoov kružni roces se sastoji od ovratne romene stanja: - izentroske eksanzije s = idem - izotermskog hlađenja = idem = = = idem - izentroske komresije s = idem - izotermskog zagrevanja = idem = = i = idem d i Određivanje termodinamičkog steena korisnosti Karnoovog kružnog rocesa η t,carno Qred ( ) = = Q ( ) rim i Karnoov roses je ovratni kružni roceskružnog rocesa is = ti + t + rs = 0 = i Kratka analiza Karnoovog kružnog rocesa Ako bi teeratura tolotnog onora bila jednaka asolutnoj nuli = 0K ( ϑ 7,5 C ), termodinamički steen korisnosti Karnoovog kružnog rocesa bio bi jednak jedinici η t,carnot = Realno 00 K, a i = 000 K, (max 00 K ), a je η t,c = 0,= 0,7 ( η t,c = 0,77 ) 06

6 . Desnokretni kružni orocesi sa idealnim gasovima Motori sa unutrašnjim sagorevanjem Gasne turbine Osnovne osobenosti Radni fluid u rvom delu kružnog rocesa radni fluid je ili smeša vazduha i gasovitog goriva (ili ara tečnog goriva ) ili čist vazduh u drugom delu rocesa ( tokom i nakon sagorevanja goriva) radni fluid redstavljaju nastali rodukti sagorevanja termo-fizičke osobenosti (karakteristika) bilo vazduha, bilo smeše vazduha i goriva i rodukata sagorevanja su ribližno iste ritisci ri kojima se odvijaju rocesi su relativno niski a se radni fluidi mogu smatrati idealnim gasovima Izvor tolote hemijske reakcije sagorevanja goriva ne ostoji izolovan uređaj, nego se roces oslobađanja tolote dešava u samom radnom fluidu.. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem (motori U) Internal Combustion Engine (ICE) Otto Diesel Brayton-Joule (tirling) (abathe) (Ericson) (Wankel) 07

7 .. Otov (Otto) kružni roces 85 Eugenio Barsanti and Felice Matteucci atentirali 86 Ahonse Beau de Rochas rvi konstruisao 876 Nicolaus Augus Otto onovo rvi konstruisao Indikatorski dijagram eorijski (hiotetički) dijagram usis smeše vazduha i goriva iz karburatora u cilindar ( v idem ) - adijabatsko sabijanje smeše vazduha i goriva - aljenje svećicom smeše i njeno izohorsko sagorevanje - radni takt adijabatsko širenje rodukata sagorevanja -5 otvaranje izduvnog ventila i izohorsko isticanje rodukat sagorevanja iz cilindara 5-0 istiskivanje reostalih rodukata sagorevanja iz cilindra ( v idem ) v= idem v= idem Gorivo i vazduh Paljenje smeše svećicom Q rim Gorivo i vazduh Produkti sagorevanja Q red 0- idem - s = idem - v = idem - s = idem -5 v = idem 5-0 v = idem 08

8 ideti: htt:// htt://members.fortunecity.com/rickteuscher/thermodynamics/ottocycle.html ermodinamički steen korisnosti η t,otto Q red mc ( ) ηt,otto = = = = Qrim mc ( ) η t,otto = a uvođenjem steena komresije ε max ε = min termodinamički steen korisnosti ηt,otto može da se izrazi kao η = t,otto ε Kako zaremine gasa u stanjima i, odnosno i iste = i = a rocesi - i - su izentroski ( s = idem ) sledi da je a je η t,otto = i = = = = Uvođenjem steena komresije ε - tj. odnosa maksimalne i minimalne zaremine cilindra max ε = min odnosno, odnosa zaremina gasa satnja i : ε = max = min, te kako je romena stanja - izentroska = sledi da je ε = ili = a je η t,otto = ε 09

9 Kratka analiza η t,otto ηt,otto = f ( ε, ) Ako ε ηt,otto, ali i!! roblem samoaljenja smeše - detonacioni udar dodavanjem aditiva u benzin tetra-etil-olova ili tetra-metil-olova, ovećava se oktanski broj goriva oktanski broj redstavlja meru otornosti goriva na samoaljenje o Oktanski broj 00 (ili 00 oktana) ima izooktan gorivo vrlo otorno na samoaljenje o Oktanski broj 0 (ili 0 oktana) ima normalni hetan gorivo izuzetno male otornost na samoaljenje o Oktanski broj nekog goriva određuje se uoređivanjem njegove otornosti na samoaljenje sa otornosti na samoljaljenje smeše izooktana i normalnog hetana. Procenat izooktana u smeši iste otornosti na samoaljenje, određuje oktanski broj goriva Do 90, koristili su se benzini bez olova, a im je oktanski broj bio veoma mali 0-50 oktana Bezolovni benzin hemijski inženjering novi aditivi (aromatični ugljovodonici) ista svrha ovećenje oktanskog broja Ograničenja ε - (danas) ε = 9 0,5 (- sa direktnim ubrizgavanjem romenljiv ritisak ubrizgavanja) 0

10 .. Dizelov (Diesel) kružni roces 89 Rudolf Christian Karl Diesel atentirao i 89 konstruisao Indikatorski dijagram eorijski (hiotetički) dijagram ususavanje čistog vazduha u cilindar - adijabatsko sabijanje vazduha - osteeno ubacivanje goriva i njegovo sagorevanje ri = idem - radni hod širenje rodukata sagorevanja (adijabatsko širenje) -5 izbacivanje rodukata sagorevanja otvaranjem ventila ( v = idem ) 5-0 izbacivanje reostalih rodukata sagorevanja =idem v= idem azduh Ubacivanje goriva Q rim azduh Produkti sagorevanja Q red 0- idem - s = idem - = idem - s = idem -5 v = idem 5-0 = idem

11 ideti: htt:// htt://members.fortunecity.com/rickteuscher/thermodynamics/dieselcycle.html teen komresije max ε = = min teen redeksanzije ili steen unjenja ϕ = ermodinamički steen korisnosti c ( ) ηt, Diesel = = =... c ( ) ϕ ηt, Diesel = ϕ Kratka analiza η t, Diesel ηt, Diesel = f ( εϕ,, ) η, ako ε,, ϕ t, Diesel ε = 7, nema oasnosti od samo aljenja koristi jeftinije gorivo niže rafinacije više temerature i ritisci ri sagorevanju kabastiji motor skulji za izradu, ali jeftiniji u eksloataciji nema ni karburator, ni svećice ε Proces -, s = idem Proces -, = idem Proces - i roces - = 77 i = = = ε = mr i = mr = = = ϕ = = ϕ ϕ = ϕ

12 Džul (Joule) Brajtonov (Brayton) kružni roces 8 James Joule 870 George Brayton Šema ostrojenja otvorenog tia Šema ostrojenja zatvorenog tia Komora za sagorevanje Gasna turbina i Φ rim P teh P teh urbokomresor = idem amb Φ red Indikatorski dijagram eorijski (hiotetički) dijagram =idem =idem amb =idem - - adijabatsko sabijanje okolnog vazduha ( amb ) - - osteeno ubacivanje goriva i njegovo sagorevanje ri = idem - radni hod širenje rodukata sagorevanja (adijabatsko širenje) uštanje rodukata sagorevanja u okolinu ( amb )

13 ermodinamički steen korisnosti Φred qmc ( ) ηt,joule = = = =... Φrim qmc ( ) η t,joule = Uvođenjem odnosa ritisaka π = termodinamički steen korisnosti se može naisati u obliku 5 η t,joule = π Primer Džulovog kružnog rocesa kod turbomlaznog avionskog motora Komora za za sagorevanje Kako je romena entroije ri izobarskim rocesima - i - ista, s s = s s c ln Rln c ln Rln = 5 Za izentroski roces - važi: η t,joule = = = = =