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
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.
P
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 ova površina je pozitivna kada se integrali u smeru pozitivne ose V, a negativna kada se ide u smeru negativne ose V.
E
V
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:
P
W = WAEB– WBCA a on je predstavljen osenčenom površinom koju zatvara “kružni” proces (“ciklični” proces).
E
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.
V
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
P
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.
E
1
2
V
B Prvi zakon za ciklus:
B
B
Q dU W
dU
Q W
0
A A A 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.
KKD c
W Qt
Qt Qh Qt
1
Qh Qt
1
T h T t
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.
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 mašine dele se u odnosu na broj pomeraja klipa za ostvarivanje jednog ciklusa, mogu biti:
ČETVOROTAKTNE
DVOTAKTNE
CIKLUSI TOPLOTNIH MAŠINA
