GLAVAI2 KRUZNI PROCESI TOPLINSKIH MOTORA
1. OPCI DIO Kod realnih toplinskih motora toplina se transformira u rad uz sloZene fizidko-kemijske, aerodinamidke i termodinamidke procese. To dini proudavanje ciklusa kod toplinskih motora veoma sloZenim. Zato su eksperimentalna istraZivanja ovdje veoma prisutna, a ciklusi se nazivaju radni. Medutim, desto je prisutna potreba da se izradunaju osnovni parametri od utjecaja na ekonomidnost rada motora, da se procijene ostali parametri od presudnog utjecaj a na rad motora, izvr5e potrebne usporedbe s povratnim termodinamidkim ciklusima i sl. Tada se proudavanja prenose na idealizirane cikluse toplinskih motora, ili njihove termodinamidke cikluse. Bitne pretpostavke 5to se uvode kod termodinamidkih ciklusa su:
- radni medij je idealni plin, - radni medij se u ciklusima ne izmjenjuje niti
se mijenja njegova masa,
- obavlja se fiktivni dovod i odvod potrebne topline, tj. ciklus uspostavljayezrl sa sprefimicima topline u odredenom dijelu ciklusa, - u ostalom dijelu ostvarena je adijabatska izolacija ciklusa prema okolini.
Razlikuju se toplinski motori s unutra5njim (SUI) i vanjskim izgaranjem (SVI). Razlika izmedu njih je u nadinu predaje topline radnom mediju. Kada se toplina predaje u samom radnom prostoru direkuro mediju, rijed je o motorima SUI (otovi, dizelovr, mlazni motori). U sludaju prijenosa topline na medrj posredstvom stijenke (izvana), to su motori SVI (parni strojevi). Temperatura medija kod motora SUI mole biti daleko veda od temperature stijenke cilindra, a jo5 se potencira hladenjem stijenke. ViSe polazne temperature daju ovim motorima mnogo bolji termidki stupanj korisnosti i odgovarajudu prednost nad
146
motorima SVI. Nadalje 6e biti obradeni termodinamidki ciklusi nabazi kojih su izgradeni toplinski motori SUI.
Daljna razmatranja podrazumijevaju poznavanje problematike Sto ju VII.
obraduje glava
Ovdje su obradeni samo termodinamidki (idealni) ciklusi. U toplinskirn strojevima i uredajima odvijaju se stvarni realni ciklusi. Procesi realnih ciklusa nisu s tako o5trim i prepoznatljivim prijelazima kao Sto je to sludaj kod idealnii ciklusa. Takoder, tu je i niz drugih razllka, a Sto 6e biti obradeno u teorr.li predmeta Toplinski strojevi.
2.
OTTOOV CIKLUS
Nikolaus Augustus Otto je 1876. godine prrjavio patent termodinamidkog ciklusa koji se u njegolu dast danas naziva Otto ciklus. Na bazi tog ciklusa izgradeni su i razvijeni motori s paljenjem mje3avine: gorivb-zrak, vanjskim izvorom (elektridnom iskrom), nazvani takoder u dast pronalazada otovi motori. Termodinamidki ciklus (idealni) dine, sl. 12.1: - adijabatska kompresija od stanja i do stanja 2; - dovodenje topline Qzs pri izohori zbogdeganastaje promjena stanja od 2 do 3;
- adijabatska ekspanzija radnog medija od stanja 3 do stanja 4; - izohorno odvodenje topline Q,t,ruz promjenu stanja od 4 do 1.
Na slici se vidi da se kompresija i ekspanzija radnog medija odvija izmedu istih volumenskih vrijednosti. Naime, vrijedi da je V1 = V+iVz = Vj Odnos podetnog volumena V7 i krajnjeg volumena kompresije V; (kompresioni) karakteristidan je za toplinske motore i naziva se stupanj kompresije e:
v,
'- v, ^-i-i
v^
v1'
Pri kompresiji povedava se tlak medija Vrijednosti tlaka i temperature mogu se dobiti kompresiju:
(12.1)
u cilindru, a i temperafura. iz jednadLbe za adijabatsku
t49
(povr5ina 1' 1 4 4'). Promatranjem odnosa toplina (povr5ina) na segmentu promjene vidi se da obostrano ^S (rad) u odnosu na iscrtkana povr5ina
cjelokupnu povr5inu segmenta (dovedena toplina), ostaju u pribliZno istom odnosu u bilo kom dijelu ciklusa. Zbog toga nema ni promjene stupnja korisnosti pri promj eni opteredenja.
sl. 12.2. Promjena stupnja djelovanja Ottoovog ciklusa u zavisnosti od parametara t{ i e
3.
DIESELOV CIKLUS
je
1892. godine patentirao termodinamidki ciklus, sl. 12.3. U dast pronalaza(a nosi naziv Dieselov ciklus. Ciklus je sastavljen od: - adijabatske kompresije od stanja 1 do stanja 2; - dovodenja topline Qzs pri izobari uz promjenu stanja od 2 do 3; - adijabatske ekspanzije radnog medija od stanja 3 do 4; - odvodenja topline Qu iz ciklusa pri izohori i promjeni stanja od 4 do 1.
Rudolf Diesel
i Ottoovog ciklusa vidi se razlika u dovodenju topline Q2j . Izohomo dovodenje topline kao Sto je u Ottoovom ciklusu Usporedbom Dieselovog
zamijenio je Diesel u njegovom ciklusu izobarnim dovodenjem. To je moguie ako se kompresijom ostvaruje dovoljno visok tlak za dobivanje rada u ciklusu, a da pri tome stupanj korisnosti bude povoljan. Diesel je predvidio kompresiju distog zraka, pa stupanj kompresije moZe biti takvih vrijednosti da se naknadno ubrizgano gorivo samo od sebe zapali (samopaljenje goriva). Tako relativno visoki tlak nije potrebno pove6avati i u procesu izgaranja, pa se izgaranje odvija uz promjenu volumena tako da tlak ostaje nepromijenjen, tj. pz = ps . Dovedenu toplinu u ciklus daje izraz'. O>t =
t71
c" (7, - T>)
.
(r2.e)
150
toplinu Qal izraz (12.6). Rad ciklusa dobiva se kao razlika dovedene i odvedene topline (12.7). Nepovratljivost izohornog procesa odvodenja jednaka je nepowatljivosti izobarnog dovodenja topline ASal = AS j2 . a odvedenu
_
\
_219!_n!!:
\ i\ \ i\
;:j,\
\l'i._i:-::E Sl. 12.3. Dieselov termodinamidki ciklus
Vrijednost nepovratljivosti iznosi: AS32
=S.i - Sz - ffi cpr"t
Nepovratljivost
.
se povecava ve6im opteredenjem ciklusa.
Stupanj djelovanja ima oblik:
I T4-Tr Tl= 't -| - N T,-7, 5to nakon uvodenja poznatih odnosa
t
r,
o-l
\a=l F,r,(,p-l) gdje je (0=
T
-
T2
i uredenja postaje:
(l2.lo)
porast volumena u toku dovodenja topltrc Q2j
.
Izraz (12.10) sadrZi u svom obliku izraz za stupanj djelovanja Ottoovog da 11 raste kada i e raste vrijedi i ovdje. Porast odnosa volumena rp odraLava se negativno, tj. smanjuje vrijednost stupnja djelovanja. Utjecaj € i q nastupanj djelovanja prikazanje nasl. 12.4. ciklusa. Zato zaklju(,ak
51.
12.4. Promjena stupnja djelovanja Dieselovog ciklusa u zavisnosti parametara Q i e
je i na Zs dijagramu ciklusa. Stupanj djelovanjaodgovaraodnosupovr5ina 123 4 i I'23 4' Zbog razlike u Utjecaj optereienja vidljiv
nagibima izobare i izohore (strmija), pove6ana dovedena toplina daje sve manje
priraste korisnog rada. Naprotiv, smanjivanjem dovedene topline, odnosi povr5ina postaju povoljniji pa i stupanj djelovanja blago raste. Zbog negativnog utjecaja odnosa volumena q na n, slijedi da je za isti stupanj kompresije 4o > rla. Medutim, po5to za samozapaljenje treba vedi €, to s vrijednostima koje su danas u primjeni kod.,dizelovih motora vrijedi da je
fla> \o.
4.
SABATIIEOV CIKLUS Sabatheov ciklus sadrZi dovodenje topline
Q' pn izohori, a
ostalim
dijelom Q" pnizobai. Ukupno dovedena toplina iznosi Q = Q' + Q" . U ostala tri dijela ciklus je identidan Otto i Diesel ciklusima, sl. 12.5. Time se Sabatheov ciklus dobiva kombiniranjem Ottoovog i Dieselovog ciklusa. Iz tog razloga se u strudnoj
literaturi desto naziva i kombiniranim ciklusom.
