Termodynaamiset syklit Todelliset tehosyklit

Transkriptio

1 ermodynaamiset syklit odelliset tehosyklit Luennointi: k Kati Miettunen Esitysmateriaali: k Mikko Mikkola HYS-A00 ermodynamiikka (FM)

2 Syklien tyypit Sisältö Kaasusyklit s. höyrysyklit Suljetut syklit s. aoimet syklit Air-Standard -analyysi Käsiteltäiä (ideaalisia) syklejä Otto & Diesel (automoottorit) Brayton (turbiinimoottorit) Stirling (ulkoinen palaminen) Rankine (oimalaitossykli)

3 ermodyn. syklien maksimihyötysuhde ekemättä mitään oletuksia syklin tyypistä,. pääsääntö asettaa rajan lämpöoimakoneen hyötysuhteelle COLD HO Rajatapausta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi tai hyötysuhderajaksi Lämpöoimakoneen on mahdotonta ylittää tämä raja (ja älyttömän kallista edes lähestyä sitä)

4 Kaasusykli Syklien tyypit yöaine on koko syklin ajan kaasufaasissa Höyrysykli yöaine käy läpi neste-kaasu- ja kaasu-nestefaasimuutokset syklin aikana Aoin sykli Vaihtaa työainetta ympäristön kanssa Kaasuturbiinit, taanomaiset polttomoottorit Suljettu sykli yöaine pysyy systeemissä koko ajan

5 Syklien luokittelu ICE Internal Combustion Engine alaminen tapahtuu työainekierron sisällä ECE External Combustion Engine alaminen tapahtuu työainekierron ulkopuolella aoin sykli suljettu sykli kaasusykli Otto (ICE) Diesel (ICE) Brayton (ICE) Brayton (ECE) Stirling (ECE) höyrysykli höyrykone (ECE) Rankine (ECE) 5

6 Air-Standard -analyysi ermodynaamisten syklien ertailun helpottamiseksi käytetään Air-Standard analyysia odellisen työaineen sijaan analyysissa käytetään ilmaa olttoaineseoksen palaminen kuataan astaaan lämpömäärän tuonnilla ilmaan ulkoa Riittään tarkka monipuolisiin tarkasteluihin Jos ilman lämpökapasiteetti oletetaan akioksi (aro 5 C:ssä) (Kylmä) Ideaalinen Air-Standard analyysi 6

7 Otto-sykli 7 Ideaalinen bensiinimoottorin sykli Kaksi- ja nelitahtiset ersiot Nelitahtinen Otto-moottori taallisimmin autoissa Kaksitahtimoottoria käytetään pienissä laitteissa Suoritetaan Air-Standard - tarkastelu hyötysuhteelle ja teholle. Imuaihe olttoaineseos sisään sylinteriin. uristusaihe Seos puristetaan. yöaihe Seos palaa. akoaihe akokaasut ulos

8 Otto-syklin ideaalinen Air-Standard -analyysi Lämpökapasiteetit oletetaan akioiksi Kirjoitetaan kaaa hyötysuhteelle Otto q q OU IN Ensimmäinen pääsääntö: du dq + dw, prosesseissa ja ei tehdä työtä (d 0), joten du dq 8 q OU u u, q IN u u Hyödynnetään edellä johdettua: Otto u ( ) u( ) ( ) V, MEAN, q q OU IN u u u ( ) ( ) V u V aoitteena on lausua hyötysuhde tilauuksien funktiona. Kuinka tästä eteenpäin?

9 9 Otto-syklin ideaalinen Air-Standard -analyysi Isentrooppiselle prosessille S0 (palautua adiabaattinen) pätee Manipuloidaan hyötysuhteen yhtälöä ja sijoitetaan yllä saatu sinne: k S S Otto-syklissä kaksi isentrooppista aihetta, ja, joten niille pätee 0 0 s s S k S s s k S S Otto k Otto

10 0 Otto-syklin ideaalinen Air-Standard -analyysi Otto-syklin hyötysuhteelle saatu Määritellään puristussuhde r max / min ja saadaan edelleen max min k k Otto k Otto r Ideaalisen Air-Standard analyysin mukaan Otto-moottorin hyötysuhde riippuu ain puristussuhteesta Jos lämpökapasiteetit eiät ole akioita: ( ) ( ) ( ),, u u MEAN V,,,,,,,, k MEAN V MEAN V MEAN V MEAN V Otto r

11 Otto-syklin ideaalinen Air-Standard -analyysi odellisten Otto-moottorien hyötysuhteen kasattamista puristussuhdetta kasattamalla rajoittaa puristustahdin aikana tapahtua polttoaineen itsesytyntä, ns. nakutus.

12 Otto-syklin ideaalinen Air-Standard -analyysi Määritetään syklin tekemä työ Otto-syklin hyötysuhteelle on saatu Otto w w OU IN k qin r Sisään tuodulle lämmölle oidaan kirjoittaa q IN V ( - ), sijoitetaan se: w OU V ( ) w IN w ( ) r k OU IN V k r Käytetään edellä johdettua yhteyttä prosessille : w OU w IN V w ( ) ( k ) V r k k r r Nyt yhtälössä ainoastaan maksimit ja minimit tilauudelle ja lämpötilalle Kuinka oidaan kirjoittaa työ ain minimien ja maksimien aulla? r k k

13 Diesel-polttoaineella käyien moottorien ideaalinen sykli Käytetään autojen, laiojen ja eturien moottoreissa arempi hyötysuhde ja ääntö kuin Ottomoottoreilla, mutta suuremmat hiukkaspäästöt ja korkeampi hinta Diesel-sykli. Imuaihe Ilma sisään sylinteriin. uristusaihe Kotitehtää! Ilma puristetaan, lopussa sekaan polttoaine. yöaihe Seos palaa. akoaihe akokaasut ulos

14 Otto- ja Diesel-syklien ertailu Otto Diesel uristus Sytytys alaminen Ilma + polttoaine Ilma Kipinä uristus (lämpö) Isokoorinen Isobaarinen Otto k r Diesel k r k r r k CUOFF CUOFF

15 Stirling-sykli Stirling-sykli on anhin kaasusykli (86) Stirling-moottoreissa palaminen tapahtuu systeemin ulkopuolella yöainetta ei aihdeta ympäristön kanssa Suljetun syklin ECE eoriassa hyä hyötysuhde, mutta teknisesti aikea toteuttaa 5

16 6 Kertausta: lämpökapasiteetti Määritelmänä: Δq / Δ missä Δq on tuotu lämpömäärä ja Δ siitä seurannut lämpötilan muutos.pääsääntö Entalpian määritelmä h u + Gibbsin kaaa dq ds du + d Integroimalla saadaan V dq du dw ( ) d u u du d dh du + d() du + Rd + Sijoitetaan tuohon du ja dh lämpökapasiteetin kaaoista ideaalikaasulle + V du d dh d ( ) d h h Ideaalikaasuille u u() h h() ja V, V, ()

17 Kertausta: entropia Määritelmästä ds du + d ds + d Ideaalikaasulle R ja edellä du V d: V d ds + d R ilamuutokselle saadaan integroimalla ( ) d d ( ) d s du V V s ds + R + R Vastaaasti s dh ds dh d ds d antaa ( ) d d ( ) d s ds R R 7

18 8 Yleisesti. pääsäännöstä saadaan ds dq q AB Stirling-syklin analyysi Stirling s q q AB OU Edellä johdettiin: Jos lämpökapasiteetti on akio s s R Edellisistä saadaan q R R q R R IN : / / : / / : / / : / /

19 Stirling-syklin analyysi Sijoitetaan q IN ja q OU ja käytetään ideaalikaasun relaatioita, saadaan Stirling R R Hyötysuhde on riippuu siis ain kylmän ja kuuman lämpötilan suhteesta ja on sama kuin Carnot-syklin 9 w OU R w IN R dv dv ( ) R( ) r R R d R d R R

20 Brayton-sykli Kaasuturbiinimoottorien ideaalinen sykli Sekä aoin että suljettu ersio Yleisesti käytössä aoimeen sykliin perustuia laitteita Brayton-sykliin perustuat moottorit taallisia ilmailussa, laioissa ja oimalaitoksissa Ensimmäinen toimia moottori 90 0

21 Höyrysyklit Monissa oimalaitossykleissä työaine muuttuu nesteestä höyryksi ja takaisin suljetussa kierrossa Lämpö tuodaan ulkoa sopiasta lähteestä Malliesimerkki näistä on ideaalinen Rankine-sykli ärkeä ero kaasusykleihin errattuna: Ideaalikaasulakia ei oida soeltaa, joten työaineen ominaisuudet on huomioitaa Kaaio yksinkertaisesta Rankine-syklistä

22 Kombisyklit Syklejä oidaan yhdistää Kuassa kaasuturbiinin (Brayton-sykli) pakokaasun lämpöä käytetään tuottamaan höyryä höyryturbiiniin (Rankine-sykli)

23 . pääsäännön soellus Laske tarittaa jäähdytyseden massairta. HO. kj/kgk