ALKALMAZOTT MŰSZAKI HŐTAN

Átírás

1 ÁMOP-...F-//KONV Duális és moduláris képzésfejlesztés ALKALMAZO MŰSZAKI HŐAN Prof. Dr. Keszthelyi-Szabó Gábor

2 ÁMOP-...F-//KONV Duális és moduláris képzésfejlesztés Aktí hőtranszport. etszőleges körfolyamat, Carnot körfolyamat. Elemi körfolyamat- párok izsgálata. A hő átalakítása mechanikai munkáá, munkát adó technikai körfolyamatok. Prof. Dr. Keszthelyi-Szabó Gábor. előadás

3 Problémafeletés Hogyan lehetséges egy termodinamikai rendszerből folyamatosan hasznos munkát nyerni?

4 Hasznos munkát a rendszer expanziója (nyomáscsökkenés és térfogat-nöekedés) során nyerhetünk. Szükségünk an tehát arra, hogy a DR expanzióképes állapotba kerüljön. Expanzióképes a DR közeg, ha a nyomása és a hőmérséklete kellően nagy. Expanzióképes DR előállítása: mechanikai energia (kompresszió nyomásnöelés) és hőenergia (hőmérsékletnöelés) felhasználásáal.

5 A körfolyamat Ciklikusan ismétlődő állapotáltozások sorozata, melynek során a DR ismételten expanzióképes állapotba hőt esz kerül. fel és/agy ad le, munkát égez és/agy a környezet égez rajta munkát.

6 etszőleges körfolyamat Az olyan termodinamikai folyamatokat, melyeknél a kezdeti és a égállapot jellemzői megegyeznek, körfolyamatoknak neezzük. A körfolyamat megismételhetőségét a műszaki gyakorlatban általában gázcseréel érik el. Ezen alóságos körfolyamatok nyitott modellnek tekintendők. Az elméleti agy ideális körfolyamatokban nincs gázcsere, a rendszer zárt. A kapott hasznos munka: A termodinamikai hatásfok: W W h h Q be Q Q el t W Q be

7 A körfolyamat a p- koordinátarendszerben p A DR térfogata nő a környezet számára munkát égez A DR térfogata csökken a környezet munkát égez rajta. A DR által égzett összes fizikai munka A DR által ciklusonként égzett, a környezetben hasznosítható munka, a körfolyamat fizikai munka által körbezárt területtel arányos A DR-en égzett összes

8 A körfolyamat munkája A p- koordinátarendszerben ábrázolt az óramutató járásáal megegyező körüljárású minden körfolyamat ciklikusan a környezetben hasznosítható munkát szolgáltat, az óramutató járásáal ellentétes körüljárású minden körfolyamatba ciklikusan munkát kell befektetni a körfolyamat fenntartásához. A körfolyamati görbe ill. törtonal által körbezárt terület a ciklikusan szolgáltatott ill. szükséges munkáal arányos. w p d dp J kg

9 A körfolyamat hatásfoka (korábbi ábra jelöléseiel) p d p d p d p d p d A hatásfok csak akkor lehetne 00%, ha a környezet nem égezne munkát a rendszeren. Ilyen körfolyamatot nem lehet elképzelni!

10 Hőmennyiség és körfolyamat Miel a körfolyamat mindig ugyanazon pontokon halad át, a körfolyamati görbe bármely pontjára onatkoztata kijelenthető, hogy egy teljes ciklusra a belső energia megáltozása éppen zérus (azonos a hőmérséklet!), és így az. főtétel egy ciklusra történő alkalmazásáal W Q azaz bármely körfolyamat esetében a munkák algebrai összege megegyezik a hőmennyiségek algebrai összegéel!

11 Az entrópia Virtuális intenzí állapotjelző, mely a többi intenzí állapotjelzőhöz hasonlóan bármely két állapotjelző függényében egyértelműen meghatározható és a köetkező egyenlettel definiált. ds dq J kg K Egy olyan koordinátarendszerben, melyben a hőmérséklet az entrópia függényében an ábrázola, az állapotáltozási görbe alatti terület az állapotáltozás során leadott agy felett hőmennyiséggel arányos.

12 Az állapotáltozások ábrázolása a -s koordinátarendszerben Az állandó nyomású állapotáltozás ds dq c c p p e ss d c p Azaz exponenciális görbe, ahol K egy rögzített konstans, melynek meghatározása abból a konencióból kiindula lehetséges, hogy 0 o C-on és atmoszférikus nyomáson az entrópia zérus. Az entrópia abszolút értéke érdektelen, csak a megáltozása bír jelentőséggel, alamilyen hőközlési folyamatra utal.

13 Az állapotáltozások ábrázolása a -s koordinátarendszerben Az állandó térfogatú állapotáltozás dq ds c c e ss d c Azaz exponenciális görbe, mely abban különbözik az izobár állapotáltozás exponenciális görbéjétől, hogy annál kissé meredekebb, miel az állandó térfogaton ett fajhő biztosan kisebb mint az állandó nyomáson ett fajhő.

14 Az állapotáltozások ábrázolása a -s koordinátarendszerben Az adiabatikus állapotáltozás ekintettel arra, hogy termikus kölcsönhatás ilyen esetben nincs, az entrópia-áltozás zérus, az állapotáltozást egy függőleges egyenes jelképezi. A politropikus állapotáltozás Általános menetű görbe, mely az adiabatát jelképező függőlegeshez képest agy jobbra (fűtött adiabata, n>κ) agy balra (hűtött adiabata, n<κ) hajlik el.

15 A körfolyamat a -s koordinátarendszerben A DR entrópiája nő, a környezetből hőt esz fel A DR entrópiája csökken, a környezetnek hőt ad le. A DR által felett összes hő A beezetett hőnek azon része, melyet a DR ciklusonként a környezetben A hasznosítható DR által leadott munkáá alakít át (lásd összes a p- hő koordinátarendszerben történt ábrázolást!). s

16 A körfolyamat termikus hatásfoka ds ds q q be be ds q A hatásfok csak akkor lenne 00%, ha lehetne készíteni olyan körfolyamatot, mely a ciklikus működés során a környezetnek nem ad le hőt. Ilyen körfolyamatot nem lehet elképzelni! q el el be

17 A körfolyamat termikus hatásfoka q el a a s q be f f s A hatásfok csak akkor lenne 00%, ha lehetne készíteni olyan körfolyamatot, melyből a hőelonás 0 K-en történik. Ilyen körfolyamatot nem lehet elképzelni!

18 A termodinamika. főtétele Nem lehet olyan körfolyamatot készíteni, mely hőelonás nélkül működik. A hőenergiát nem lehet maradéktalanul mechanikai munkáá alakítani. A hő, külső beaatkozás nélkül, csak a melegebb helyről a hidegebb helyre áramlik.

19 A körfolyamat termikus hatásfoka Annál nagyobb, minél alacsonyabb a hőelonás hőmérséklete, magasabb a hőbeezetés hőmérséklete táolabb an egymástól a hőbeezetés és a hőelonás átlagos hőmérséklete, közelebb áll a hőbeezetés és a hőelonás folyamata az izotermikushoz. a f

20 Carnot körfolyamat A termodinamikai hatásfok, speciálisan Carnot körfolyamatra: t A Carnot körfolyamat hatásfoka csak az alsó és felső hőmérséklettől függ. Azonos hőfokhatárok közt a Carnot körfolyamatnak an a legjobb hatásfoka. A körfolyamat állapotáltozásai:.: izotermikus expanzió,.: adiabatikus expanzió,.: izotermikus kompresszió,.: adiabatikus kompresszió. a f

21 A Carnot-körfolyamat a -s koordinátarendszerben Két izotermáal (hőbeezetés és hőelonás) és két adiabatáal megalósított körfolyamat. - kompresszió - hőbeezetés - expanzió - hőelonás Adott hőmérséklethatárok között a Carnot-körfolyamat biztosítja a legjobb hatásfokot. s

22 A Carnot-körfolyamat a p- koordinátarendszerben p - kompresszió - hőbeezetés - expanzió - hőelonás

23 Hőerőgépek A hőerőgép olyan alóságos agy elméleti erőgép, amely hőenergiát mechanikai munkáá alakít át. Más definíció szerint a hőerőgép olyan kalorikus gép, mely hasznos mechanikai munkát szolgáltat. A hőerőgépek termodinamikai körfolyamatot alósítanak meg működésük folyamán. A hőerőgépeket rendszerint az általuk megalósított körfolyamatról neezik el, de gyakran alternatí elneezéseket is használnak: benzinmotor, gőzturbina, gázturbina. A belsőégésű motorok a gép belsejében fejlesztenek hőenergiát, a külső hőbeezetésű gépek külső hőforrás által fejlesztett hőenergiát abszorbeálják. Egyes hőerőgépek a külső atmoszféra felé nyitott szerkezetűek, mások el annak szigetele a környezettől (nyitott agy zárt rendszerek).

24 HŐERŐGÉPEK Miért foglalkozunk hőerőgépekkel? mert az élet majd minden területén megtalálhatók: - (hűtőgépek, boiler, autó, repülőgép, illamos erőmű stb.) mert környezetbarát megalósítása mindannyiunk érdeke: - kis CO kibocsátás jó hatásfok - megújuló energiaforrások: biomassza (gáz, nöényi olaj, alkoholok, szilárd anyagok) Hőerőgéppel szemben támasztott köetelmények:.) Ár - elégzendő feladathoz mennyire kihasznált, - a befektetett összeg megtérülési ideje.) Üzemelési költség: - fajlagos tüzelőanyag felhasználás - fajlagos energiaigény (pl.: hűtőgép).) Üzemeltetési költség: - megbízhatóság - karbantartási igény.) Élettartam 5.) Ées kihasználtság: - alaperőmű legjobb η - csúcserőmű kis beruházási költség, gyors terhelhetőség - kazán részterhelésen rosszabb η

25 Alapető elméleti körfolyamatok Ottó-körfolyamat Diesel-körfolyamat Sabathé-körfolyamat Gázturbina körfolyamatok

26 Otto motor munkafolyamatai Otto motoroknál a robbanó keeréket már a hengerbe jutás előtt előállítják. Munkafolyamatok: a-b löket (. ütem ) szíás b-c löket (. ütem ) sűrítés c-d felső holtpont robbanás gyújtás d-e löket (. ütem ) expanzió e-f alsó holtpont kipufogás f-a löket (. ütem ) kitolás

27 Négy ütemű Otto motor munkaütemei

28 Otto körfolyamat animációja

29 A körfolyamat izsgálata A körfolyamat izsgálatához egyszerűsítünk: Nem foglalkozunk az égési folyamat terjedéséel és kémiai átalakulásáal, hőközléssel helyettesítjük. A kipufogó gázok lehűlését a = áll onal mentén a kiindulási f = b hőmérsékletig történő lehűléssel helyettesítjük. A szíás és az égéstermék kitolása a munkaégzés szempontjából lényegtelen mozzanatok, elhanyagolhatóak.

30 Otto - körfolyamat A kompresszióiszony: V V Vc V V c h A nyomásemelkedési tényező: p p A termodinamikai hatásfok: t A körfolyamat állapotáltozásai:.: adiabatikus kompresszió,.: izochor hőközlés,.: adiabatikus expanzió,.: izochor hőelonás.

31 Otto körfolyamat A termodinamikai hatásfok: t

32 p Az Ottó-körfolyamat a p- koordinátarendszerben - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó térfogaton - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó térfogaton

33 Az Ottó-körfolyamat a -s koordinátarendszerben - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó térfogaton - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó térfogaton s

34 s - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó térfogaton - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó térfogaton Az Ottó-körfolyamat termodinamikai hatásfoka be el be el be be h O q q q q q q w c c O p p O

35 Diesel motor munkafolyamatai c d d a-b. löket (.ütem) leegő beszíása, b-c. löket (. ütem) komprimálás, c-d. löket az üzemanyag folyamatos befecskendezése és elégése állandó nyomáson, d-e. löket (. ütem) égéstermék expanziója, e-f. holt ponti állás, kipufogás, f-a. az égéstermék kitolása (. ütem) a hengerből

36 Diesel körfolyamat animációja

37 Diesel - körfolyamat A termikus hatásfok: t A kompresszióiszony: V V Vc V V c h Az előzetes expanzióiszony : V V Az utólagos expanzióiszony: V V A körfolyamat állapotáltozásai:.: adiabatikus kompresszió,.: izobár hőközlés,.: adiabatikus expanzió,.: izochor hőelonás.

38 Hatásfok - kompresszió iszony Diesel körfolyamatnál η t Otto motor ρ= ρ= ρ= ε=0 nél Otto jobb mint a Diesel ε> nél Diesel jobb ρ= esetén ε

39 A Diesel-körfolyamat a p- koordinátarendszerben p - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó nyomáson - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó térfogaton

40 A Diesel-körfolyamat a -s koordinátarendszerben - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó nyomáson - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó térfogaton s

41 s - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó nyomáson - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó térfogaton A Diesel-körfolyamat termodinamikai hatásfoka be el be el be be h D q q q q q q w c c p D p p D D (ρ= / ) előzetes expanzió

42 Sabathé körfolyamat A termikus hatásfok: t A kompresszióiszony: V Vc Vh V V c A nyomásemelkedési tényező: p p Az előzetes és az utólagos expanzióiszony: V V V 5 V 5 A körfolyamat állapotáltozásai:.: adiabatikus kompresszió,.: izochor hőközlés,.: izobár hőközlés, 5.: adiabatikus expanzió, 5.: izochor hőelonás.

43 p A Sabathé-körfolyamat a p- koordinátarendszerben 5 - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó térfogaton - hőbeezetés állandó nyomáson -5 adiabatikus expanzió 5- hőelonás állandó térfogaton

44 A Sabathé-körfolyamat a -s koordinátarendszerben p =áll. 5 - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó térfogaton - hőbeezetés állandó nyomáson -5 adiabatikus expanzió 5- hőelonás állandó térfogaton p =áll. s

45 s - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó térfogaton - hőbeezetés állandó nyomáson -5 adiabatikus expanzió 5- hőelonás állandó térfogaton A Sabathé-körfolyamat termodinamikai hatásfoka 5 p p p p p p S S Izochor nyomásiszony Izobár kompresszió-iszony

46 Brayton-Joule körfolyamat

47 p A gázturbina-körfolyamat (Brayton-Joule) a p- koordinátarendszerben - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó nyomáson - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó nyomáson

48 A gázturbina-körfolyamat a -s koordinátarendszerben - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó nyomáson - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó nyomáson s

49 Izobár hőbeezetésű Brayton-Joule körfolyamat A termikus hatásfok: t A kompresszióiszony: V V Vc V V c h Az előzetes expanzióiszony : V V Az utólagos expanzióiszony: V V A körfolyamat állapotáltozásai:.: adiabatikus kompresszió,.: izobár hőközlés,.: adiabatikus expanzió,.: izobár hőelonás.

50 - adiabatikus kompresszió - hőbeezetés állandó nyomáson - adiabatikus expanzió - hőelonás állandó nyomáson A gázturbina-körfolyamat termodinamikai hatásfoka be el be el be be h G q q q q q q w c c p p G p p G s

51 Izochor hőbeezetésű Humphrey körfolyamat Azonos feltételek mellett az izobár hőbeezetésű Brayton körfolyamatnak jobb a hatásfoka. A termikus hatásfok: t A kompresszióiszony: V V Vc V V c h A nyomásemelkedési tényező: p p Az expanzióiszony: V V A körfolyamat állapotáltozásai:.: adiabatikus kompresszió,.: izochor hőközlés,.: adiabatikus expanzió,.: izobár hőelonás.

52 Gázturbina folyamatok Egyszerű gázturbina Gázturbina kompresszor fokozatok közötti isszahűtéssel

53 öbbfokozatú politropikus kompresszió A több fokozat alkalmazásának célja: - a szállítóképesség kedező értéken tartása, - kedezőbb energetikai iszonyok kialakítása. Az egyes fokozatok nyomásiszonyait 6 értékre szokás felenni.

54 Gázturbina regeneratí hőcserélőel

55 Gázturbina A gázturbina egy olyan hőerőgép, amelyben a leegőel keert üzemanyag égéstermékei egy turbina lapátjain haladnak keresztül. A turbina egy kompresszort működtet, amely a leegőt szolgáltatja az égési folyamathoz. A gázturbinában keletkező égéstermékek mozgási energiája hasznosítható toábbi turbinák hajtására, agy az égéstermékeket egy fúócsőben felgyorsíta reaktí hajtóműként működhet.

56 Elméleti (káros tér nélküli) és alóságos, dugattyús kompresszor körfolyamata A hűtéstől függően az állapotáltozás lehet: - A izotermikus,. és. folyamatok alatt a hengerben a közeg Káros tér nélküli. - mennyisége politropikus, áltozik, ezért ezek nem termodinamikai - folyamatok. adiabatikus. A körfolyamat állapotáltozásai:.: sűrítés,.: kitolás,.: nyomásesés,.: szíás.

57 KÖSZÖNÖM A FIGYELME!