Ciklusi bazirani na plinu

Carnot-ov ciklus

• Pojam kružnog ciklusa prvi je uveo Karno (Carnot). • On je predložio takvu toplotnu mašinu koja će se

sastojati od dvije povratne izoterme i dvije povratne adijabate.

• U ovakvom desnokretnom kružnom ciklusu, radno tijelo prima toplotu od izvora na izotermi više temperature T dok se toplota odvodi od radnog tijela na temperaturi To koje predstavlja ponor toplote (hladnjak).

Carnot-ov ciklus• Ako ciklus počinje iz stanja 1 pokazanim na P-v i T-s dijagramima,

tada izvor toplote temperature T1 dolazi u neposredan kontakt sa 'glavom cilindra' odajući izotermski toplotu radnom tijelu koje ostvaruje proces 1-2. U toku ove izotermske ekspanzije rad se predaje okolini na račun dovedene topline od izvora konstantne temperature T.

• Zatim izolator dovede u kontakt sa 'glavom' cilindra čime se postiže potpuna izolacija cilindra (cilindar se nalazi u adijabatskoj oblozi) a gas se daje kvazistatički – adijabatski širi do temperature T3 (proces 2-3).

• Na temperaturi T3 ponor toplote se dovodi u termički kontakt sa glavom cilindra pa se gas izotermski komprimuje (proces 3-4). U ovom procesu se rad dovodi iz okoline a toplota q0 se odvodi u ponor.

• Na kraju, izolator se ponovo dovodi u kontakt sa cilindrom što omogućuje adijabatsko kvazistatično sabijanje gasa u početno stanje 1. Time se kružni proces završava.

Carnot-ov ciklus

Carnot-ov ciklus

• Osnovna karakteristika Karnoovog ciklusa koji se ostvaruje u hipotetičnoj mašini je njegova potpuna povratnost pošto je u cijelosti sastavljen od povratnih procesa.

• Iz tih razloga Karnoov ciklus predstavlja pogodan standard za poređenje sa drugim ciklusima koji se ostvaruju u realnim mašinama.

• Karnoova mašina, kao što će biti pokazano, ima u odnosu na druge mašine maksimalnu termičku efikasnost.

Carnot-ov ciklus

Carnot-ov ciklus

Ericsson-ov ciklus

• Eriksonov ciklus sastoji se od dva izotermalna I dva izobarna procesa.

Procesi su: • Proces 1-2: Reverzibilna izotermalna kompresija• Proces 2-3: Zagrijavanje uz konstantan pritisak • Proces 3-4: Reverzibilna izotermalna ekspanzija• Proces 4-1: Hlađenje pti konstantnom pritisku

Ericsson-ov ciklus• Zagrijavanje i hlađenje se odvija pri konstantnom pritisku baš kao i

izotermalni procesi. • Kako su procesi 2-3 i 3-4 paralelni na T-s dijagramu, ukupni efekat je takav

da zagrijavanje treba vršiti samo na konstantnoj temperaturi T3=T4, a hlađenje na temperaturi T1=T2.

Ericsson-ov ciklus

Stirlingov ciklus• Stirlingov ciklus ili proces je termodinamički kružni ciklus po kojem rade

Stirlingovi uređaji. • Kako je riječ o termodinamičkom kružnom ciklusu, to znači da se ciklus

vodi između dva toplinska spremnika različitih temperatura, tj. između ogrjevnog i rashladnog spremnika, a ukupna izmijenjena toplina između toplinskih spremnika jednaka je ukupnom izvršenom mehaničkom radu.

• Stirlingov ciklus može biti desnokretan ili lijevokretan; ako je desnokretan, mehanički rad se dobiva te uređaj radi kao motor, a ako je lijevokretan, mehanički rad se troši te uređaj radi kao rashladni uređaj ili dizalica topline. Specifičnost Stirlingovog ciklusa u odnosu na ostale kružne procese je taj što je teoretski izveden kao zatvoren sistem, tako je izveden i u tehničkoj praksi; to znači da uređaji koji rade na principu Stirlingovog ciklusa nemaju usis i ispuh i da je unutar sistema sadržana konstantna masa radne tvari.

• Ciklus se u osnovi sastoji od dvije izoterme i dvije izohore.

Stirlingov ciklus

Stirlingov ciklus• Teorijski Stirlingov ciklus razmotrit će se kao desnokretni

zatvoreni ciklus; ciklus se sastoji od četiri promjene stanja:

• 1-2: izotermna kompresija - rashladni spremnik odvodi toplinu radnom mediju zbog čega se radnom mediju smanjuje volumen

Stirlingov ciklus

• 2-3: izohorno dovođenje topline - stlačeni radni medij prolazi kroz regenerator koji ga grije dovodeći mu toplinu pri konstantnom volumenu

Stirlingov ciklus

• 3-4: izotermna ekspanzija - ogrjevni spremnik dovodi toplinu radnom mediju povećavajući mu volumen

Stirlingov ciklus

• 4-1: izohorno odvođenje topline - radni medij se vraća kroz regenerator predajući mu toplinu pri konstantnom volumenu.

Stirlingov ciklus

Stirlingov ciklus• Dok se na jednom dijelu cilindra izvode promjene

stanja 2-3 i 3-4, na drugom dijelu cilindra se izvode promjene stanja 4-1 i 1-2 i obratno.

• Izvedbe strojeva koji rade po Stirlingovom procesu imaju dva cilindra, od kojih je ekspanzioni cilindar grijan, a kompresioni cilindar hlađen.

• Razlikuje se od ostalih strojeva po tome što koristi uvijek istu količinu plina (zraka), nema usisa i ispuha (zagađenja okoline).

• Praktički nedostaci su mu prvenstveno u nemogućnosti trenutnog starta i promjene broja okretaja, jer treba vremene da se ugrije cilindar prije mogućnosti dobijanja rada.

Stirlingov ciklus

• Teorijski Stirlingov ciklus s idealnim regeneratorom prema termičkom stupnju djelovanja potpuno je ekvivalentan termičkom stupnju djelovanja Carnotovog (najveći termički stupanj djelovanja) i Ericsonova ciklusa (Ericssonov ciklus postiže Carnotov termički stupanj djelovanja samo uz idealni regenerator kao i Stirlingov ciklus), a veći od termičkog stupnja djelovanja Jouleovog, Dieselovog i Ottovog ciklusa.

• Prema dobivenom radu, najbolji ciklus je Ericssonov, a zatim slijede Stirlingov, Jouleov, Dieselov, Ottov te Carnotov ciklus.

Strojevi sa unutrašnjim sagorijevanjem

• Motori s unutrašnjim sagorijevanjem su motori kod kojih hemijskom reakcijom sagorijevanja smjese zraka i goriva pretvara u toplotnu energiju, a zatim u mehanički rad.

• Uporaba motora s unutrašnjim sagorijevanjem najšira je u automobilskoj industriji, ali se također koriste i kao pogonski strojevi za pokretanje zračnih kompresora, pumpi i električnih generatora (kao agregati u objektima).

• Motori s unutrašnjim sagorijevanjem za funkcioniranje zahtijevaju gorivo, zrak, kompresiju i izvor paljenja. Ovisno o izvoru paljenja, dijele se u dvije grupe: paljenje iskrenjem pri čemu se kao gorivo koristi benzin ili prirodni plin (Otto ciklus) i paljenje kompresijom pri čemu se koristi dizelsko gorivo (Diesel ciklus).

Strojevi sa unutrašnjim sagorijevanjem

• Motori s unutrašnjim sagorijevanjem imaju brojne prednosti u odnosu na druge tehnologije male snage, što uključuje mogućnost pouzdanog, a ne skupog pomoćnog napajanja, omogućuje opskrbu električnom energijom na udaljenim lokacijama (kao distribuirani izvor) i proizvodnju električne energije tijekom vršnog opterećenja kada je cijena električne energije najveća te kao kogeneracija za opskrbu električnom energijom industrijskih postrojenja i stambenih naselja.

• Motori s unutrašnjim sagorijevanjem s iskorištenom toplinskom energijom su najraširenija kogeneracija na tržištu jedinica male snage.

Ottov ciklus• 1876. godine Nicolaus August Otto je ostvario proces u

motorima s unutrašnjim sagorijevanjem kojeg danas nazivamo Otto proces.

• Otto proces je odredio današnje procese u benzinskim motorima.

• Kod ovog procesa je značajno da se goriva smjesa tada stvarala izvan cilindra (rasplinjač), pri temperaturama koje su slične temperaturi okoline. Pri tome se za proces upotrebljavaju plinovita ili lako hlapljiva goriva, danas najčešće benzin.

• Danas je moguće i stvaranje smjese u cilindru. Goriva smjesa se ubacuje u cilindar pri atmosferskom pritisku (ili blizu atmosferskog pritiska), komprimira se u njemu i zatim pali.

• Kako je u cilindru smjesa goriva i zraka, omjer kompresije ne smije biti preveliki da se ne bi dogodilo samozapaljenje smjese.

Ottov ciklus• Samozapaljenje kod Otto procesa se mora izbjeći, a paljenje se vrši

pomoću iskre koju baca svjećica u tačno određenom trenutku. • Omjer kompresije stoga ne smije biti velik.Glavni dijelovi otto-motora: • Bregasta osovina - Pokreće ventile u određenom trenutku• Svijećica - Zapaljuje smjesu goriva i zraka pri samom kraju sabijanja• Usisni ventil - Kod usisa ima ulogu propuštanja smjese goriva i zraka u

cilindar• Ispušni ventil - Kod ispuha ima ulogu propuštanja ispušnih plinova van

cilindra• Usisni kanal - Dovodi smjesu goriva i zraka do usisnog ventila• Ispušni kanal - Odvodi ispušne plinove u ispušnu cijev• Klip - Pretvara toplinsku energiju u kinetičku• Karike - Imaju ulogu brtvljenja između stijenke klipa i stijenke cilindra

(kompresione) te podmazivanja (uljne)• Klipnjača - Služi za prijenos kinetičke energije sa klipa na radilic• Radilica - Služi za za prijenos recipročnih pravocrtnih gibanja klipova u

kružno

Ottov ciklus

• Tačka 1 na dijagramu (klip u DMT) smjesa goriva i zraka se ubacuje u cilindar i tada počinje kompresija, gibanje klipa prema GMT.

• Smjesa se komprimira, raste joj pritisak i temperatura, a smanjuje se zapremina. Ovaj proces traje sve do GMT i tačke 2 kada svjećica baca iskru i pali smjesu.

• Smjesa trenutno izgara povećavajući pritisak i temperaturu u cilindru, pri konstantnoj zapremini, sve do tačke 3 kada je završilo izgaranje i kada klip započinje svoje gibanje ka DMT u procesu ekspanzije.

• Ekspanzija traje do tačke 4 kada klip stiže u DMT. Tada nastupa ispuh, pritisak i temperatura u cilindru padaju sve do tačke 1.

• U tački 1 započinje izmjena medija koja traje od 1 preko 1' te nazad do 1, kada počinje novi ciklus.

Ottov ciklus

Dijagram možemo opisati kao:1 - Početak kompresije (zapremina jednaka zapremini cilindra)1-2 - Adijabatska kompresija2 - Paljenje smjese svjećicom2-3 - Izgaranje po izohori (zapremina jednaka zapremini kompresije)3 - Kraj izgaranja, početak ekspanzije3-4 - Adijabatska ekspanzija4 - Kraj ekspanzije, početak ispuha4-1 - Izohorni ispuh1-1'-1- Izmjena medija u cilindru

Ottov ciklus

• Otto motor može biti izveden kao 2-taktni ili 4-takni. Kod 4-taktnog motora, na našem dijagramu to je:

• 1. takt – od 1'do 1 (usis zraka)• 2. takt – od 1 do 2 (kompresija i u tački 2

paljenje)• 3. takt– od 2 do 4 (od 2-3 izgaranje, 3-4

ekspanzija)• 4. takt – od 4 do 1'(od 4-1 slobodan ispuh, 1-1'

ispuh tjeran gibanjem stapa)

Diesel ciklus• Dieselov proces je termodinamički proces koji

prati pritisak i zapreminu izgarajuće komore u Diesel motoru.

• Pretpostavlja se da je pritisak konstantan u prvom dijelu izgaračke faze, V2 do V3 u dijagramu.

• Ovo je većinom samo teoretski moguće: Realni Dieselovi procesi imaju povećanje tlaka u

ovoj fazi, ali je manje izraženo nego u Ottovom procesu.

• Idealni Ottov proces benzinskog motora ima konstanatn volumen u toj fazi.

Diesel ciklusProces od 1-2 je izentropska kompresija Proces od 2-3 je povrativo izobarno grijanjeProces od 3-4 je izentropska ekspanzijaProces od 4-1 je povrativo izohorno hlađenje

Dieselov motor je toplinski motor: pretvara toplinu u rad.W2 je rad klipa koji komprimira radnu tvarQ2 je toplina dobivena izgaranjem gorivaW1 je rad dobiven ekspanzijom radne tvari, to nam omogućuje koristan momentQ1 je odvedena toplina ulaskom zraka

Diesel ciklus

• Diesel motori imaju manju potrošnju goriva od bilo kojeg motora s unutarnjim izgaranjem, (0,16 kg/kWh) za velike brodske motore.

• Zapravo, dvotaktni dizelovi motori s prisilnom indukcijom visokog tlaka, djelimično turbomotori, čine veliki postotak velikih Dieselovih motora.

Atkinson-ov ciklus• Atkinsonov ciklus je idealan ciklus za Otto motor koji

posjeduje plinsku turbinu.• U ovom ciklusu izentropska ekspanzija (3-4) Otto ciklusa (1-2-

3-4) je produzena do najnize vrijednosti pritiska u ciklusu da bi povecali izlazni rad.

• Sa ovom modifikacijom ciklus je poznat pod nazivom Atkinsonov ciklus.

Atkinson-ov ciklusProces 1-2 : Adijabatsko sabijanje (od V1 do V2)Proces 2-3 : Dodavanje toplote uz konstantan volumenProces 3-4 : Adijabatska ekspanzija (od V2=V3 do V4)Proces 4-1 : Odbacivanje toplote uz konstantan pritisak

Brayton-ov ciklus

• Za tehničku praksu bolje odgovara kružni proces koji se sastoji od dvije izobare i dvije adijabate. To je Braytonov ili Jouleov kružni proces.

• Plinu se u zagrijaču dovodi toplina Q pri konstantnom tlaku i uz povećanje volumena od V1 do V2. Pri tome se temperatura povećava od T1 na T2.

Brayton-ov ciklus•Toplinu zagrijaču predaju, npr. plinovi izgaranja ili se ona odvodi, npr. iz nuklearnog reaktora. Tako zagrijani plin struji u ekspanzijski stroj, npr. turbinu i tu adijabatski ekspandira do tlaka P3=P0 pa prilikom ekspanzije predaje mehaničku energiju (mehanički rad) rotoru turbine. •Nakon ekspanzije u turbini, plin dolazi u izmjenjivač topline u kojem se hladi pri konstantnom tlaku pomoću vode ili zraka kojima predaje toplinu . •Kada je postigao temperaturu T4, plin se komprimira adijabatski u kompresijskom stroju, kompresoru, do tlaka P1.•Temperatura T2 je najviša, a T4 najniža u procesu.

Lenoir-ov ciklus• Lenoirov ciklus je idealizirani termodinamicki ciklus, cesto koristen za modeliranje

pulsirajucih mlaznih motora. • Temelji se na radu motora kojeg je patentirao Jean Joseph Etienne Lenoir 1860. godine. • Ovaj motor se cesto smatra kao prvi komercijalno proizveden motor sa unutrasnjim

sagorijevanjem. • Odsutnost pojedinih procesa kompresije u dizajnu dovodi do nize toplinske ucinkovitosti u

odnosu na dobro poznate Otto i Dizel cikluse.

Lenoir-ov ciklusLenoirov ciklus se sastoji od sljedećih procesa:•Izohorni (preobrazba pri konstantnoj zapremini) - (na dijagramu: 1-2)•Izentropski proces - povratni adijabatski proces (entropija sistema ostaje konstantna) – (na dijagramu 2-3)•Izobarni (preobrazba pri konstantnom pritisku) – (na dijagramu 3-1)

•Prva faza dakle ukljucuje dodavanje topline pri konstantnoj zapremini. To nam je omoguceno prvim zakonom termodinamike. U ovoj fazi se ne vrsi nikakav rad jer je zapremina konstantna.

•Druga faza uključuje reverzibilno adijabatsko širenje tekućine natrag na svoj prvobitni pritisak.

•Treca i zavrsna faza ukljucuje vracanje toplote u izvorno stanje pri stalnom pritisku.

Lenoir-ov ciklus

Lenoir-ov ciklus

Miller-ov ciklus• U inžinjeringu, Millerov ciklus je proces koji se

koristi u motorima sa unutrasnjim sagorijevanjem.

• Millerov ciklus je patentirao 1957. godine americki inzinjer Ralph Miller.

• Sam motor moze biti dvotaktni ili cetverotaktni i moze biti pokretan na dizel gorivo, plin ili kombinovano.

• Ovaj tip motora je najprije bio upotrebljavan u brodovima, a sada se koristi kod nekih zeljeznickih lokomotiva

Miller-ov ciklus• U Millerovom ciklusu, ventil za dovod je otvoren duze nego je to

slucaj kod motora sa Ottovim ciklusom. • U sustini, takt predstavlja dva diskretna ciklusa: početni dio kada je

dovodni ventil otvoren i konačni dio kada je dovodni ventil zatvoren.

• Ovaj dvoetapni dovod kreira takozvani “peti” takt koji predstavlja Millerov ciklus.

• Kako se klip na pocetku krece prema gore sto zapravo predstavlja kompresiju i paljenje motora, naboj jos uvijek otvorenog ususnog ventila je djelomicno izbacen natrag. Obicno ovaj gubitak naboja zraka bi znacio i gubitak snage.

• Medjutim, kod Millerovog ciklusa, to se kompenzira koristenjem turbokompresora.

• Turbokompresor ce obicno morati biti pozitivnog pomaka zbog svoje sposobnosti da proizvode dopunjavanje na relativno niskim okretajima.

Miller-ov ciklus• Kljucni aspekt Millerovog ciklusa je da kompresija i paljenje zapravo

zapocinje tek nakon sto je klip ispustio dodatni naboj i dovodni ventil se zatvori.

Punjenje temperature• U tipicnim motorima sa svjecicama, Millerov ciklus daje dodatnu

korist. Usisni zrak je najprije sabijen turbokompresorom, a zatim ohladjen interkulerom. Ovaj manji unos punjenja temperature, u kombinaciji sa nizom kompresijom usisnog takta, daje nize konacno punjenje temperature nego sto bi se postiglo jednostavnim povecanjem kompresije klipa. To omogucava naprednije paljenje cime se povecava ukupna ucinkovitost. Dodatna prednost je smanjena emisija NOx u dizelskim motorima, sto je vazan parametar u velikim dizel motorima na brodovima i elektranama.

Miller-ov ciklusFaktor kompresije•Ucinkovitost se povecava podizanjem faktora kompresije. U tipicnim benzinskim motorima, faktor kompresije je ogranicen, zbog samozapaljenja kompresovane, a samim time i vruce, zrak/gorivo mjesavine. Zbog smanjene kompresije motora sa Millerovim ciklusom, moguc je veci ukupni pritisak cilindra, te motor ima bolju ucinkovitost. Gubici turbokompresora•15% do 20 % energije proizvedene u kompresorskim motorima obicno se utrosi na sam rad motora.

HVALA NA PAŽNJI