OSNOVI TOPLOTNIH MAŠINA

KRUŽNI PROCESI

Kod termodinamičkih promena

stanja do sada razmatranih, osim kod promene pri konstantnoj zapremini, uvek se dobija neki rad. Veličina tog dobijenog rada zavisi od načinu kojim je promena izvršena

(funkcija procesa). Prilikom tih promena radni fluid (gas)

ekspandira od nekog definisanog početnog stanja sa

početnim pritiskom, temperaturom i zapreminom

na neko konačno,

krajnje stanje koje je određeno krajnjim

uslovima pritiska, temperature i zapremine.Obzirom na to da ne raspolažemo neiscrpnim rezervoarima gasa na početnim uslovima, za ponovno dobijanje rada iz nekog sistema

neophodno je radni fluid, odnosno gas,

vratiti u isto početno stanje.

E

Ako pokušamo ponovo dovesti gas u početno stanje, rad koji smo ekspanzijom dobili, moramo utrošiti za kompresiju radnog fluida. Kao rezultat sveukupne promene dobijamo početnu količinu topline i bez izvrčenog rada. Stoga, ako želimo kontinualno dobijanje rada, koji ćemo moći iskoristiti, moramo radni fluid vratiti u početno stanje nekim drugim putem koji se mora razlikovati od puta ekspanzije i pri kojem nećemo utrošiti sav rad kojei smo dobili ekspanzijom. Ponavljanje ovakvih procesa za tehniku je od najveće važnosti jer gotovo sve mašine rade ritmički, tj. oni trajno ponavljaju radni proces, koji se može sastojati i od više elemenata.

E

Uzmimo da smo pošli od stanja A

do stanja B preko tačke E. Promenom stanja po putu a dobili smo neki rad

WAEB

. Ne smemo se istim putem vratiti u početno stanje jer bi sav

dobijeni rad, utrošili za izvođenje tog suprotnog procesa. Zato za vraćanje u početno stanje odabiremo put preko tačke C. U

ovom slučaju trošimo neki rad

WBCA, za kompresiju, ali ovaj rad je ipak manji od rada dobijenog ekspanzijom na prvoj putanji. U p, V –

dijagramu, rad označava površina ispod krive promene stanja

(integral), a ov

a površina je pozitivna kada se integrali

u

smeru pozitivne ose

V, a negativna kada se ide u smeru negativne ose

V.V

P

E

Tačke A i B predstavljaju krajnje položaje klipa u cilindru, na putu od A

do B preko tačke E, dobija

se

rad , a kod promene od B

do A,

preko tačke C

troši se rad . Ukupno dobijeni rad je:

W = WAEB– WBCA

a on je predstavljen

osenčenom površinom koju zatvara “kružni”

proces

(“ciklični”

proces).

U našem slučaju, promena stanja u p, V –

dijagramu teče

u smeru kazaljke na satu, tzv. desnokretni proces, a sveukupni rad je

dobijen, dakle, rad je pozitivan.

Zatvoreni proces kod kojeg kriva kompresije leži iznad krive ekspanzije. U tom slučaju kružni proces teče

suprotno smeru kretanja

kazaljke na satu, tzv. Levokretni

proces. Ukupni rad tada postaje negativan, tj. moramo ga utrošiti za izvođenje procesa. Po levokretnom kružnom procesu rade rashladne

mašine.

V

P

E

Da bi kružni proceson bio moguć, treba na pogodan način dovoditi i odvoditi topotu. Postavimo dve adijabate tako da dodiruju krive kojima su određene promene stanja,

AEB i BCA. U dodirnim tačkama krive (1 i 2) promene stanja podudaraju se s adijabatama što znači da se u tim stanjima procesu ne dovodi i ne odvodi toplota. U svim ostalim delovima procesa mora se dovoditi ili odvoditi toplota. Za desnokretni proces

radnom fluidu se dovodi toplota u području 1, B, 2 dok se u području 2, A, 1 toplota odvodi. Obrnuto je u slučaju levokretnog procesa.

V

P

E 1

2

Vidimo

da

je

kod

kružnog

procesa

rad

jednak

razlici

dovedene

i odvedene

toplote. Važan

kriterijum

za

ocjenjivanje

transformacije

toplotne energije , u mehanički

rad

W , pruža

nam

tzv. termički

stepen efikasnosti η

nekog

desnokretnog

kružnog

procesa.

η

je uvek manje od jedinice budući da se u kružnom procesu uvek pojavljuje toplota koju treba odvesti. Radni fluid, međutim, nije u stanju da sam po sebi izvrši kružni proces, za izvođenje tog ciklusa potrebna su dva topliotna rezervoara od

kojih jedan dostavlja

dovedenu, a drugi preuzima odvedenu toplinu. Prvi se može nazvati ogrevni rezervoar

(topli rezervoar, izvor toplote), a drugi rashladni rezervoar

(hladni rezervoar, ponor toplote). Navedeni rezervoari

su bitni učesnici cikličnog

procesa. Svakako, očigledno je da

topli rezervoar

ima višu temperaturu od hladnoga. Dovod i odvod toplote

ne uzrokuje promene u radnom fluidu jer se na kraju procesa on vraća u početno stanje. Promene ostaju u toplotnim rezervoarima jer se iz jednoga toplota odvodi, a u drugi dovodi. Prema tome, prelaz toplote preko kružnog procesa pravi je izvor mehaničke energije. Pri tome je radni fluid samo posrednik.

Prvi

zakon

zaciklus:

B

A

B

A

B

A

WdUQ WQ 0dU

t

h

t

h

t

ht

tc T

T

Q

Q

Q

QQ

Q

WKKD

11

Realizacija nekog

zatvorenog

procesa

nadovezujemo uzastopno nekoliko poznatih osnovnih promena stanja,

tako da se na proces zatvori. Možemo u nekom cilindru poći od stanja 1 pa gas

adijabatski ekspandirati do stanja 2, zatim hladiti pri konstantnom pritisku do stanja 3, a nakon toga uz dovođenje toplote pri konstantnoj

zapremini doći početno stanje 1, kako je to prikazano na slici. Na taj način realizovan je Lenoarov ciklus.

Razmenjene toplote i izvršeni rad možemo kod idealnog gasa

izračunati iz jednačina

za adijabatu, izobaru i izohoru. U tehnici mnogo češće nailazimo na procese koji su

sastavljeni od dva para istovrsnih krivih.

Podela termodinamičkih ciklusa

Osnovna podela je na •toplotne i •rashladne mašine.

Toplotne mašine su motori, dok su rashladne mašine hladnjaci, kondicioneri vazduha i toplotne pumpe.

Na osnovu vrste radnog fluida:•para i •gas.

Para za

vreme

kružnog

procesa

prelazi

iz

jednog

u drugo

agregatno

stanje, a gasovi

su

stalno

u gasovitom

agregatnom

stanju..

Podela na osnovu tipa dobijanja mehaničkog rada:

•klipne i •turbinske procese.

Za

pretvaranje

unutrašnje energije

u mehaničku

energiju

potreban

je

kružni

proces, koji

se ostvaruje

u toplotnim mašinama pomoću

radnog fluida koji

uz

snižavanje

temperature ekspanduje sa višeg

na

niži

pritisak. Obavljeni

rad

prenosi

se na

pokretne

delove

mašine

s kojima

je

radni fluid u neposrednom

kontaktu.

U klipnim mašinama klip je pokretni dio mašine na koji se prenosi rad radnog fluida, a kod turbinskih mašina to su rotorske lopatice.

Klipna mašina radi

periodično. Pomoću

usisnog ventila

radni fluid se uvodi

u cilindar, a nakon

ekspanzije

se iz

cilindra

odvodi

kroz

ispusni

ventil. Zamajac, postavljen

na

osovinu

mašine, osigurava

da

se osovina

jednoliko

okreće. Pokretni

delovi

mašine

izvrgnuti

su

znatnim

naprezanjima

zbog

promene

smera

kretanja

te

ubrzavanja

i usporavanja

koja

se vrlo

brzo

smenjuju. Takve

promene

naprezanja

skraćuju

i ograničavaju vek trajanja

klipnih mašina.Nasuprot

tome, mehaničko

naprezanje

pokretnih

delova

turbina je

jednoliko.

Radni

fluid

struji

preko

lopatica

i okreće

rotor. On se ujednačeno okreće

te

nema

delova

koji

su

izloženi promeni

smera.

Na osnovu ponovne primene radnog fluida:

•zatvorene i •otvorene.

U zatvorenom ciklusu se radni fluid recirkuliše, odnosno fluid se vraća u početno stanje i ponovo se ulazi u ciklus. U otvorenim ciklusima se na kraju svakog ciklusa obnavlja i ponovo se nova količina radnog fluida uvodi u novi ciklus. Motori

automobila izduvni gasovi se u novom ciklusu zamenjuju novom smešom vazduha i goriva.

Na osnovu načina dovođenja toplote radnom fluidu u toplotnim motorima:

•motori sa unutrašnjim sagorevanjem i •motori sa spoljašnjim sagorevanjem.

Kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem (automobilski motori), gorivo se sagoreva unutar granica sistema (unutar cilindra).Kod motora sa spoljašnim sagorevanjem (proizvodnja električne energije) toplota se u ciklus dovodi iz kotlova, geotermalni izvori, nuklearna energija

i sunčeva energija.

Klipne maKlipne maššine dele se u ine dele se u odnosu

na broj pomeraja klipa za ostvarivanje jednog ciklusa, na broj pomeraja klipa za ostvarivanje jednog ciklusa, mogu biti:mogu biti:

ČETVOROTAKTNE DVOTAKTNE

CIKLUSI TOPLOTNIH MAŠINA

BEZ CIKLUSANEMOGUĆE JE DOBITI

RAD/SNAGU