p
I
Q w
T II
A I
V
Lob
T I
A II
II
Lk
Lex
Lob
Q d
T I
T I < T II
V
p
I
Lob
A II
A I
II
Lex
Lk
T II=T0
Qd
Qw
Lob
Rysunek pary wodnej T-S
2. Obiegi
a) obieg prawobieŜny – dostarczona jest energia mechaniczna np. silnik cieplny.
Czynnik pobiera ciepło Qd ze źródła o temperaturze T1, część ciepła zamienia na pracę
mechaniczną Lob, a pozostałą część oddaje do źródła ciepła o temp T2.
dq = du + dl
1-2
dq = di + dl
t
b) obieg lewobieŜny - jest to obieg ziębiarki lub
pompy grzejnej
Chłodnica pobiera ciepło Qd o temp niŜszej niŜ
temp otoczenia T2 otrzymuje pracę /Lob/ i
oddaje ciepło Qw do źródła o temperaturze
wyŜszej(otoczeniu)
Lob=Qw-Qd
3. Model Carnota.
Cykl Carnota - obieg termodynamiczny, złoŜony z dwóch przemian izotermicznych i
dwóch przemian adiabatycznych. Cykl Carnota jest obiegiem odwracalnym. Do realizacji
cyklu potrzebny jest czynnik termodynamiczny, który moŜe wykonywać pracę i nad
którym moŜna wykonać pracę, np. gaz w naczyniu z tłokiem, a takŜe dwa nieograniczone
ź
ródła ciepła, jedno jako źródło ciepła (o temperaturze T
1
) - górne źródło ciepła obiegu, a
drugie jako chłodnica (o temperaturze T
2
) - dolne źródło ciepła obiegu.
Cykl składa się z następujących procesów:
1-2 RozpręŜanie izotermiczne – czynnik roboczy styka
się ze źródłem ciepła, ma jego temperaturę i poddawany
jest rozpręŜaniu izotermicznemu w temperaturze T
1
,
podczas tego cyklu ciepło jest pobierane ze źródła
ciepła.
2-3 RozpręŜanie adiabatyczne – czynnik roboczy nie
wymienia ciepła z otoczeniem i jest rozpręŜany, aŜ
czynnik roboczy uzyska temperaturę chłodnicy (T
2
). 3-4
SpręŜanie izotermiczne – czynnik roboczy styka się z
chłodnicą, ma temperaturę chłodnicy i zostaje poddany procesowi spręŜania w tej
temperaturze (T
2
). Czynnik roboczy oddaje ciepło do chłodnicy.
4-1 SpręŜanie adiabatyczne – czynnik roboczy nie wymienia ciepła z otoczeniem, jest
poddawany spręŜaniu, aŜ uzyska temperaturę źródła ciepła (T
1
).
W wyniku tych czterech procesów czynnik roboczy powraca do punktu wyjścia, dlatego
mówimy, Ŝe cykl jest zamknięty (zgodnie z definicją obiegu).
Podczas procesów spręŜania siła zewnętrzna wykonuje pracę nad układem
termodynamicznym, a podczas rozpręŜania układ wykonuje pracę. Ilość pracy wykonanej
przez układ jest większa (gdy T
1
> T
2
) od pracy wykonanej nad układem. Podczas cyklu
ciepło jest pobierane ze źródła ciepła, część tego ciepła jest oddawana do chłodnicy, a
część zamieniana na pracę.
Qd
Tw
Tn
Qd
B
Qd
B
Qd
Lob
B
L
Lc
Tw
Tn
Tw
Tn
Tw
S
S
Tw
S
S
Tn
S
S
Tw
Qd
Lob
−
=
=
=
=
=
=
−
=
−
=
−
−
−
−
=
=
1
max
1
)
(
)
(
)
(
1
2
4
3
1
2
η
η
η
Współczynnik sprawności egzergicznej:
max
L
L
B
L
egz
=
=
η
Praca obiegu: L
ob
= Q
1
– |Q
2
|
Sprawność obiegu:
1
2
1
2
1
Q
Q
-
1
Q
Q
-
Q
η
=
=
PoniewaŜ dla adiabaty
dQ = T dS, to Q
1
= T
2
(S
3
-S
2
) oraz
|Q
2
| = T
1
(S
4
– S
1
).
PoniewaŜ S
3
= S
4
i S
1
= S
2
, to ostatecznie:
2
1
T
T
-
1
η
=
. W obiegu Carnota o sprawności
decydują temperatury źródeł ciepła. Sprawnośc silnika Carnota jest tym wyŜsza im przy
wyŜszej temperaturze ciepło jest doprowadzane, a przy niŜszej odprowadzane.
Sprawność cieplna nieodwracalnego obiegu silnika jest mniejsza od sprawności obiegu
silnika Carnota między źródłami ciepła o tych samych temperaturach.
4. Sprawność konwertorów energii
η
= moc uzyskana dla osiągnięcia zamierzonego celu / moc dostarczona
η
= praca | energia | … / praca | energia | …
•
konwektor energii mechanicznej:
η
= Nw / Nd ≤ 1
η
– sprawność
Nd – doprowadzona moc
Nw – wyprowadzona moc
•
konwektor energii strumienia
η
= Nw / Nz < 1
η
– sprawność
Id –strumień doprowadzonej entalpii
Nz – moc dla turbiny izentropowej
Entalpia całkowita:
)
2
(
2
*
gh
w
i
m
I
c
+
+
=
•
silnik
η
= Lw / Qd = Nw / Qd < 1
Qd – strumień ciepła spalania
paliwa
Qw – strumień ciepła odpadowego
Sprawność zintegrowana:
- cieplna
- mechaniczna (jednocześnie)
1
<
+
=
d
W
W
Q
Q
N
η
•
pompa ciepła, ziębiarka
•
ogniwo paliwowe
1
><
=
d
el
Q
L
η
Maksymalna energia paliwa = entalpia swobodna reakcji
1
int
<>
+
=
d
w
el
egrowane
opz
Q
Q
L
η
•
termoelement
1
<
=
d
elw
T
Q
N
η
{do 20%}
5. Turbiny
Wirnikowy silnik przepływowy = praca wirnika na skutek dynamicznego oddziaływania
czynnika roboczego na łopatki wirnika
Stopnie turbiny:
Akcyjne
Reakcyjne
Zasada działania polega na tym, Ŝe czynnik termodynamiczny, którym moŜe być
powietrze, spaliny, para przy odpowiedniej prędkości pada na łopatki turbiny pod
odpowiednim kątem. Uderzając w palisadę łopatek powoduje obracanie się tarczy wokół
wału. Na wale powstaje moment obrotowy, który moŜna wykorzystać do napędu. JeŜeli
prędkość czynnika jest za mała aby nadać wirnikowy prędkość wymaganą wtedy
potrzebna jest kierownica. JeŜeli czynnikiem jest gaz to w kierownicy dochodzi do
ekspansji, a gdy to zachodzi takŜe w wirniku jest to turbina reakcyjna.
W turbinach cieplnych (zwłaszcza w turbinach wielostopniowych) zwykle wieniec
wirnikowy musi mieć przed sobą nieruchomy wieniec kierowniczy zwany teŜ w skrócie
kierownicą, który ma za zadanie odpowiednio przyspieszyć i ukierunkować czynnik
napływający na łopatki wirnika. Kierownica, podobnie jak wirnik, składa się z łopatek i
jest ona nieruchomo przymocowana do korpusu turbiny. Nie moŜe ona stykać się z
wirnikiem, a przepływ gazu / cieczy między ruchomym wałem wirnika i nieruchomą
kierowniczą ograniczony jest dzięki zastosowaniu odpowiednich uszczelnień, zwykle
labiryntowych.
PowyŜsze wykresy ciśnienie – objętość (p-v) i entalpia – entropia (i-s) przedstawiają
ekspansję adiabatyczną, jaka zachodzi w turbinie. Dotyczą one turbin cieplnych
(parowych i gazowych). Czynnik rozpręŜa się od ciśnienia p
1
do ciśnienia p
2
, co obrazują
odpowiadające im izobary. Cieńsza niebieska linia to proces idealnego (beztarciowego)
rozpręŜania adiabatycznego (izentropowego) od punktu 1 do 2
s
. Czarna grubsza linia to
rzeczywiste (uwzględniające tarcie wewnętrzne) rozpręŜanie od punktu 1 do 2. RóŜnica
tych dwóch przemian jest zawarta w sprawności wewnętrznej turbiny. Natomiast róŜnica
entalpii na drodze przemiany 1-2
s
to otrzymana praca ekspansji izentropowej (adiabaty
odwracalnej) a róŜnica entalpii 1-2 to praca ekspansji rzeczywistej (adiabaty
nieodwracalnej).
Moc mechaniczna (dla turbin cieplnych)
– masowe natęŜenie przepływu czynnika, [kg/s]
i
1
– entalpia czynnika przed turbiną, [J/kg]
i
2
– entalpia czynnika za turbiną, [J/kg]
c
2
- prędkość bezwzględna czynnika na wylocie z ostatniego stopnia, [m/s]
η
m
- sprawność mechaniczna.
Sprawność wewnętrzna (dla turbin cieplnych)
i
1
– entalpia czynnika przed turbiną
i
2
– entalpia czynnika za turbiną
i
2s
– entalpia czynnika za turbiną po ekspansji izentropowej
Zawiera się ona zwykle w zakresie 85%...92%
6. Wykres indykatorowy silnika czterosuwowego iskrowego i obieg
porównawczy Otta.
7. Prosty obieg Rankine’a
jest obiegiem porównawczym dla procesów, w których zachodzi parowanie i skraplanie
czynnika roboczego np. dla konwencjonalnych lub jądrowych siłowni parowych,
agregatów chłodziarek.
Jest on złoŜony z następujących przemian:
1 - 2 - izentropowego (adiabatycznego) rozpręŜania pary w turbinie parowej,
2 - 3 - izobarycznego skroplenia rozpręŜonej pary (odprowadzenia ciepła w skraplaczu),
3 - 4 - izochorycznego, pompowania kondensatu w pompie,
4 - 1 - izobarycznego podgrzewania cieczy (wody), jej odparowania oraz przegrzewania
powstałej pary w kotle parowym lub wytwornicy pary.
Sprawność obiegu dla wody moŜe wynosić 0,4-0,6.
Czynnikiem roboczym (termodynamicznym) w cyklu Rankine'a jest w zastosowaniach
technicznych (energetyce) najczęściej woda.
Schemat instalacji cyklu.
Ke - kocioł parowy,
T - turbina,
G - generator,
Ko - skraplacz,
Sp - pompa wody zasilającej
8. Obieg Rankine’a z przegrzewaczem międzystopniowym
Przegrzew wtórny (zwany takŜe przegrzewem międzystopniowym) – zabieg stosowany
do podniesienia sprawności w siłowni parowej funkcjonującej według obiegu Rankine'a.
Pozwala on na pewne przybliŜenie obiegu termodynamicznego siłowni do obiegu
Carnota posiadającego największą sprawaność dla danych temperatur dolnego i górnego
ź
ródła ciepła (karnotyzacja obiegu).
W tym przypadku para po opuszczeniu wysokopręŜnej części turbiny kierowana jest z
powrotem do kotła do ponownego przegrzania. Pozwala to na zapobieganie skraplania się
pary wodnej wewnątrz turbiny i zwiększa jej Ŝywotność (jak widać na wykresach T-s i p-
v, podczas rozpręŜania pary (przemiana 1-2) następuje przekroczenie linii nasycenia pary
wodnej i wejście w obszar pary wilgotnej, a więc mieszaniny pary wodnej i wody w fazie
ciekłej - przegrzew wtórny powoduje przesunięcie na wykresie T-s "w prawo"
rozpręŜania i pozwala na uniknięcie lub opóźnienie wejścia w obszar pary wilgotnej).
Jednocześnie powoduje zwiększenie średniej temperatury przekazywania ciepła do
czynnika w obiegu, od której to temperatury zaleŜy sprawność (podobnie jak od
temperatury dostarczania ciepła w obiegu Carnota).
9. Obieg Rankine’a z regeneracja ciepła.
Regeneracja ciepła w obiegach termodynamicznych polega na zachowaniu pewnej
ilości ciepła wewnątrz obiegu, które bez regeneracji byłoby wyrzucone do otoczenia.
W siłowni parowej (a więc i w obiegu Rankine'a) ciepłem tym jest ciepło skraplania pary
wodnej. Część strumienia pary, po rozpręŜeniu w pewnej ilości stopni turbiny,
odprowadzana jest do wymiennika regeneracyjnego. Całe ciepło (a dokładniej entalpia)
tej części strumienia pary wykorzystane zostaje do podgrzania kondensatu, dzięki czemu
w kotle spalana jest mniejsza ilość paliwa.
Regeneracja ciepła obiegu Rankine'a prowadzi do wzrostu sprawności termicznej obiegu
o kilka do kilkunastu procent, w zaleŜności od ilości wymienników i wielkości ciepła
wykorzystanego do regeneracji. Zastosowanie w układach rzeczywistych siłowni
regeneracji ciepła prowadzi do komplikacji układu i wzrostu kosztów inwestycyjnych.
Jednak korzyści wynikające ze wzrostu sprawności netto elektrowni powodują, Ŝe
regeneracja ciepła była, jest i będzie stosowana, a jej znaczenie stale wzrasta
10. Obieg zamknięty Braytona.
Obieg Braytona-Jule'a jest obiegiem cieplnym realizowanym w turbinach gazowych. W
załoŜeniu obieg ten składa się z następujących przemian:
1-2 - izentropowe spręŜanie,
2-3 - izobaryczne dostarczenie ciepła (spalanie paliwa),
3-4 - izentropowe rozpręŜanie.
Rodzina
obiegów
Barytona
dla
ustalonych
wartości
temperatur
na
wlocie do turbiny i spręŜarki.
‘ – niskie spręŜenie
‘’ – wysokie spręŜenie
Z ogniwem międzystopniowym
Z chłodzeniem międzystopniowym
Z regeneracja cieplną
Obieg silnika powietrznego, turbiny gazowej, silnika odrzutowego. Składa się z
dwóch adiabat i dwóch izobar.
ciepło dostarczone do obiegu: Q
1
= Mc
p
(T
3
– T
2
),
ciepło odprowadzone: |Q
2
| = Mc
p
(T
4
– T
1
),
praca wykonana przez obieg:
L =Q
1
- |Q
2
|=Mc
p
(T
3
– T
2
) - Mc
p
(T
4
– T
1
),
sprawność obiegu:
2
3
1
4
1
2
1
zob
T
-
T
T
-
T
-
1
Q
Q
-
1
Q
L
=
=
=
η
Wprowadzając pojecie spręŜu
ε
=
κ
κ
=
=
=
3
4
2
1
4
3
1
2
V
V
V
V
p
p
p
p
oraz stopnia spręŜania
λ
=
2
V
V
1
, przy czym
λ
κ
=
ε
po prostych przekształceniach moŜna otrzymać wzór na sprawność
termiczną obiegu Joule’a w postaci:
η
t
=
-1
-1
3
4
1
-
1
1
1
T
T
-
1
κ
κ
κ
λ
ε
=
−
=
Odwrotnością obiegu Joule’a jest obieg spręŜarki tłokowej.
11. Zaawansowane systemy turbin gazowych.
Silniki turboodrzutowe - rodzaj silnika, który napędza pojazd poprzez wykorzystanie
zjawiska odrzutu gazów (silnika odrzutowego)..
Powietrze zasysane jest przez spręŜarkę (osiową lub promieniową, jedno- lub
wielostopniową) i spręŜane przez nią.
Następnie trafia do komory spalania, tam wtryskiwacze podają paliwo (np. naftę
lotniczą), które zapala się od rozgrzanych spalin (w momencie rozruchu paliwo zapalane
jest świecą zapłonową).
Spalanie paliwa zwiększa temperaturę gazów w komorze spalania. Gorące gazy
spalinowe napędzają turbinę, która jest sprzęgnięta wałem z wymienioną wcześniej
spręŜarką. Turbina napędza spręŜarkę, co powoduje podtrzymanie pracy silnika.
Ciąg silnika wynika z róŜnicy pędu gazów wpadających przez wlot i opuszczających
silnik przez dyszę wylotową ze zwiększoną prędkością - a bezpośrednio jest rezultatem
działania ciśnień na róŜne elementy silnika - od spręŜarki poprzez komorę spalania,
turbinę lub turbiny po dyszę wylotową.
Silniki turbowentylacyjne (Boeing 747 i 767)
- dysza powietrza opływowego
zwiększa ciąg silnika
chłodzi
zmniejsza hałas
dobra ekonomiczne, ale nie nadaje się do myśliwców
Dopalanie - wstrzyknięcie dodatkowego paliwa ale nie jest całkowicie spalone,
dodatkowy ciąg.
Układy zaawansowane –
SpręŜone (turbina gazowa + parowa)
Zintegrowane (zgazowanie + turbina parowa + gazowa -> η= 60%)
13. Obieg Otta
Silniki tłokowe
Turbina – ruch obrotowy
Tłok – ruch posuwisto-zwrotny + korbowód = ruch obrotowy
η
= Ne / Qd = Ne / m
p
W
p
m
p
– strumień paliwa
W
p
– wartość opałowa paliwa
Ne – moc efektywana
Qd – strumień ciepła dostarczonego
Wewnętrzna
η
= Ni / Np
Ni – moc wewnętrzna na tłoku
Np – moc obiegu porównawczego
Mechaniczna
η
= Ne / Ni
Obiegu porównawczego η = Np / Qd
Obieg Otta - Realizowany jest w silniku tłokowym w trakcie 4 suwów tłoka. Podczas
ruchu tłoka (0-1) zwiększa się objętość w cylindrze i jest do niego zasysana mieszanka
paliwowo-powietrzna. Podczas powrotu suwu (1-2) mieszanka poddawana jest spręŜaniu
co zwiększa temperaturę do T2. następnie od iskry zapala się mieszanka paliwowo-
powietrzna i następuje szybkie spalanie (2-3) Wzrasta p i T. podwyŜszone ciśnienie
porusza tłok z (3-4). Wykorzystywana jest praca mechaniczna kosztem, spadku p i T. W
punkcie 4 nie ma wytwarzanej pracy, p i T są min. Po otwarciu zaworu wylotowego są
usuwane spaliny i następuje spadek ciśnienia (4-5). Podczas (5-0) zawór wylotowy
pozostaje otawy aby została usunięta reszta spalin. Zawór wylotowy zamknięty a
wlotowy otwarty. Cykl się powtarza.
Stosowany jest przy porównywaniu silników tłokowych spalinowych
wolnobieŜnych gaźnikowych z zapłonem iskrowym. Składa się z dwóch izochor i dwóch
adiabat.
ciepło doprowadzone do obiegu: Q
1
= Mc
v
(T
3
-T
2
),
ciepło odprowadzone: |Q
2
| = Mc
v
(T
4
-T
1
),
praca obiegu: L = Q
1
– |Q
2
|,
sprawność obiegu:
η
=
κ
κ
κ
ε
λ
1
−
=
=
-1
1
2
1
-
1
1
-
1
Q
Q
-
1
bo
κ
κ
κ
-1
1
2
-1
2
1
1
2
p
p
V
V
T
T
=
=
14. Obieg Diesla.
W silniku Diesla wtryskowym kompresji podlega samo powietrze z resztą spalin. Na
krótko przed połoŜeniem zwrotnym otwiera się zawór paliwowy przez który wtryskuje
się ciekłe paliwo pod wysokim ciśnieniem 20-60 MPa, z prędkością 200-400 m/s. Paliwo
rozpyla się, odparowuje i zapala bez udziału obcych źródeł ciepła, bowiem temp
powietrza przy końcu kompresji jest odpowiednio wyŜsza od temp samozapłonu paliwa.
Proces spalania w Dieslu przebiega izobarycznie.
W tym silniku spalany olej napędowy -> wydzialaja się parafiny -> zatykanie filtrów.
Stosuje się świece Ŝarowe zamiast zapłonowych.
SłuŜy do porównywania wolnobieŜnych silników wysokopręŜnych z zapłonem
samoczynnym. Składa się z dwóch adiabat, izobary i izochory
Ciepło doprowadzone w obiegu: Q
1
= Mc
p
(T
3
– T
2
),
ciepło odprowadzone z obiegu: |Q
2
| = Mc
v
(T
4
– T
1
),
praca obiegu: L = Q
1
– |Q
2
| = Mc
p
(T
3
– T
2
) – Mc
v
(T
4
– T
1
),
sprawność obiegu:
(
)
-1
2
3
p
1
4
v
1
1
-
1
-
1
-
1
T
-
T
Mc
)
T
-
(T
Mc
-
1
κ
κ
λ
ϕ
ϕ
κ
η
=
=
gdzie:
2
1
V
V
=
λ
- stopień spręŜania
2
3
V
V
=
ϕ
- stopień obciąŜenia
1
2
p
p
=
ε
- spręŜ przy czym
ε
=
λ
κ
oraz
κ
=
v
p
c
c
- wykładnik adiabaty
15. Porównanie obiegów Otta i Diesla.
Diesel 7l / 100km
Otto 12l / 100km
16. Turbodoładowanie w silnikach tłokowych.
Spaliny napędzają turbinę => spręŜanie paliwa => wyŜsza sprawność => mniejsze
spalanie
Silnik jest doładowany za pomocą turbospręŜarki wykorzystującej do napędu energie
spalin w przewodzie wylotowym (turbodoładowanie). Doprowadzone do cylindrów
tłokowego silnika spalinowego powietrze (do silnika o zapłonie samoczynnym) lub
mieszkanki palnej (do silnika o zapłonie iskrowym) o ciśnieniu wyŜszym od
atmosferycznego (wstępnie spręŜonych) w celu zwiększenia napełnienia cylindrów
czynnikiem roboczym i umoŜliwia to spalanie w silniku większej ilości paliwa, a tym
samym uzyskanie większej mocy przy tej samej prędkości obrotowej bez zmiany
wymiarów silnika, wzrost mocy uzyskanej przez doładowanie wyraŜony w procentach
nosi nazwę stopnia doładowania.
17. Silnik Wankla.
Tłok wykonuje ruch obrotowy. Zasada właściwie jest taka
sama jak w silniku 4-suwowym. Wlot, spręŜenia,
rozpręŜenie, wylot. W przeciwieństwie do typowego
silnika tłokowego mieszanka paliwowo-powietrzna jest
przetłaczana z miejsce na miejsce w związku z tym 4 fazy
odbywają się w róŜnych miejscach silnika.
Ssanie – rozpoczyna się gdy wierzchołek mija okno kanału
ssącego. Objętość komory rośnie od 0 powodując
wciąganie mieszanki paliwowo-powietrznej. Gdy następny
wierzchołek komory mija okno kanału ssącego, komora się
zamyka i rozpoczyna się spręŜanie.
SpręŜanie – wirnik kontynuuje swój ruch, objętość
komory zmniejsza się, mieszanka paliwowo-powietrzna się
spręŜa. W tym czasie ścianka przemieszcza się przed
ś
wiecami zapłonowymi, a objętość komory jest ponownie
najbliŜsza min.
Zapłon – komora spalania jest długa i dlatego są potrzebna
dwie świece, zęby proces był szybki. Po zapaleniu
mieszanki, ciśnienie rośnie zmuszając roztwór do ruchu.
Ciśnienie spalanej mieszkanki zmusza rator do ruchu w
kierunku, który spowoduje wzrost objętości komory. Gazy
spalinowe dalej się rozpręŜają przesuwając rator i
wytwarzające energie.
Wydech – gdy wierzchołek ratora minie okno kanału
wydechowego spręŜone gazy spalinowe mogą swobodnie wydostać się na zewnątrz. Gdy
rator się obraca, komora kurczy się wytłaczając resztę gazów spalinowych przez okno
kanału wydechowego. W tym czasie objętość komory zbliŜa się do min.
Zalety: rozrząd bezzaworowy, duŜa moc jednostkowa, prosta budowa, unifikacja części
silnika, moŜe być stosowane paliwo o niŜszej liczbie oktanowej.
18. Silnik Stirlinga.
Silnik przetwarza energię cieplna na mechaniczną. Nie ma spalania mieszanki paliwowo-
powietrznej, ale w sposób ciągły doprowadzane jest ciepło z zewnątrz do ogrzewanego
czynnika którym jest gaz (hel, wodór, powietrze), który przepływa między dwoma
cylindrami ciepłym i zimnym.
W kaŜdym cylindrze znajduje się tłok, połączone są one wałek korbowym tak alby tłok w
cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o ¼ cyklu ruchu. Na początek
gaz w cylindrze ciepłym powiększa swoja objętość (co za tym idzie ciśnienie),
przeprowadzony jest do cylindra zimnego gdzie zmniejsza swoją objętość. Potem po
osiągnięciu minimalnej objętości znów do cylindra ciepłego.
Ciepło zewnętrzne zamieniane jest w energię mechaniczną lub elektryczną. W cyklu
pracy gaz roboczy jest spręŜany i oziębiony w zimnej komorze. Potem trafia do komory
gorącej gdzie ulega rozpręŜeniu. Rozszerzenie gazu w wysokiej temp daje więcej energii
niŜ wymaga spręŜenie tego gazu w niskiej temp.
Paliwa mogą być odnawialne i nieodnawialne. Powietrze wypełnia cylindry p=4-15MPa.
Zalety:
- niezawodność rozruchowa
- zapewnienie całkowitego spalania paliwa
- minimalny hałas
- brak okablowania
- duŜa swoboda kształtowa i konstrukcji
- brak zaworów
- brak wraŜliwości na warunki pracy
- niskie koszty eksploatacji
Wady:
- duŜe chłodnice
- duŜy cięŜar
- wysokie koszty materiałowe
- niska sprawność
- nieprzydatny do samochodów za względu na duŜe rozmiary
Cechy charakterystyczne:
Izotermiczne doprowadzanie ciepła ze spalania przez ściankę cylindra i dlatego gaz
roboczy rozpręŜa się i wykonuje pracę uŜyteczną. Potem izotermiczne odprowadzenie do
otoczenia niewykorzystanego ciepła.
Jest bliski realizacji cyklu Carnota.
19. Ogniwa pierwotne, akumulatory, ogniwa paliwowe.
Ogniwa dzielą się na pierwotne (nie ładowalne) i wtóre (ładowalne)
Ogniwa pierwotne – mamy do czynienie z nieodwracalną reakcją chemiczną, w wyniku
której jest wydzielona energia elektryczna. Do tej grupy zalicza się ogniwa cynkowo-
węglowe, alkaiczne, magnezowe, rtęciowe, litowe. Ogniwa takie są stosowane w
bateriach.
Akumulatory – ogniwa wtórne, odwracalne reakcje chemiczne. Po doprowadzenia
napięcia z zewnątrz, ogniwo takie kumuluje energie, która następnie moŜna oddać.
Rodzaje: ołowowe, niklowo-kadmowe, niklowo-wodorkowe, litowo-jonowe.
W akumulatorach występują dwa cykle pracy.
ładowanie – w czasie którego akumulator jest odbiornikiem energii elektrycznej,
wewnątrz akumulatora jest magazynowana energia elektryczna, która jest przetwarzana
na energię chemiczną,
praca – akumulator jest źródłem prądu elektrycznego na skutek uwalniania
zmagazynowanej wcześniej energii elektrycznej; rezultatem pracy jest stopniowe
rozładowywanie akumulatora
Ogniwa paliwowe – następuje bezpośrednia przemiana energii chemicznej w energię
elektryczną. Jest to ogniwo galwaniczne, w którym paliwo – wodór w stanie czystym lub
mieszanka z innym gazem – jest doprowadzone w sposób ciągły do katody. Do ogniwa
paliwowego reagenty podawane są w sposób ciągły i teoretycznie nie ulegają
rozładowaniu. W rzeczywistości degradacja lub niesprawność komponentów ogranicza
Ŝ
ywotność ogniwa paliwowego. Ogniwa te mogą pracować bez przerwy o ile tylko
doprowadza się paliwo.
Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i
elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom
elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem
nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu
powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło.
20. Siła elektromotoryczna ogniwa paliwowego.
Ź
ródło energii elektrycznej w której energia ta powstaje w wyniku reakcji
elektrochemicznej składa się z dwóch półogniw połączonych bezpośrednio. RóŜnica
potencjałów między elektrodami w stanie równowagi układu jest zwana siłą
elektromotoryczną (SEM) ogniw. Po połączeniu elektrod przewodem zewnętrznym
popłynie w nim prąd, od katody do anody. SEM ogniwa galwanicznego wynosi zwykle
2V, moŜna sumować łącząc szeregowo zespół ogniw w baterie, co moŜliwe jest dzięki
wymianie elektronów między reagującymi ze sobą substancjami.
Ogniwo znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej jest ogniwem
odwracalnym a potencjały Ec i Ea są potencjałami równowagowymi elektrod Eve, Eva.
RóŜnica potencjałów ∆E zmierzonym dla takiego układu jest nazwana siłą
elektromotoryczną ogniwa.
21. Rodzaje ogniw paliwowych.
- ze względu na rodzaj elektrolitu
-alkaliczne ogniwo paliwowe (ang. Alkaline fuel cells),
-ogniwo paliwowe oparte na kwasie fosforowym (ang. Phosphoric-acid fuel cells),
-ogniwo paliwowe ze stopionymi węglanami (ang. Molten-carbonate fuel cells),
-ogniwo paliwowe z zestalonym elektrolitem tlenkowym (ang. Solid-oxide fuel cells),
- odwracalne ogniwo paliwowe (ang. Reversible Fuel Cell),
- ze względu na temp pracy
- niskotemperaturowe (<100C)
- średniotemperaturowe (100-300C)
- wysokotemperaturowe (500C)
- ze względu na rodzaj przewodzących jonów
- ogniwo z membrana do wymiany protonów PEMFC (Proton-exchange membrane
fuel cell),
- AFC OH
-
- PAFC H
+
- bezposrednie ogniwo metanolowe (ang. Direct-methanol fuel cell).
22. Ogniwo paliwowe metanolowe – powietrzne
Składa się ono z dwóch elektrod węglowych umieszczonych po przeciwnych stronach
polimerowej membrany spełniającej zadanie elektrolitu. Proces bezpośredniego
utlenienia metanolu na anodzie przebiega wolniej niŜ w przypadku utleniania wodoru w
DMFC, stosuje się większe ilości katalizatora, którym jest najczęściej stop Pt- Rh. Na
zewnętrznej elektrodzie znajdują się kolektory z kanałami umoŜliwiającymi stały kontakt
z cała powierzchnią elektrod i odprowadzenie produkowanej wody. Bezpośrednio
utleniany na anodzie jest metanol. W procesie utlenianie uwalniany jest CO2, protony
przepływają przez membranę, tak ja w ogniwie zasilanym wodorem. Elektrony płyną
przez zewnętrzny obwód do katody gdzie z tlenem i protonami tworzą wodę.
Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i
elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom
elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem
nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu
powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło.
Anoda:
CH
3
OH + H
2
O
CO
2
+ 6H+ + 6e
Katoda:
1.5O
2
+ 6H+ + 6e
3H
2
O
W sumie:
CH
3
OH + 1.5O
2
CO
2
+ 2 H
2
O
Teoretyczne napięcie ogniwa to 1,21V. w ogniwie zachodzą takŜe niekorzystne zjawiska
obniŜające sprawność jego działania – przenikanie paliwa przez membranę do katody.
ObniŜa to napięcie ogniwa.
23. Zastosowanie ogniw paliwowych.
Prostota i elastyczność ogniw paliwowych czynią je interesującymi we wszystkich
aspektach konsumpcji energii. Zastosowania dzielą się na: przenośne, transportowe,
stacjonarne.
- napęd lokomotyw pociągów, samochodów
- baterie do laptopów, telefonów
- elektrociepłownie przy szpitalach, nieduŜych zakładach
Najmniejsze zasilane metanolem waŜy 8g.
- zasilanie odtwarzacza MP3
24.
Generatory
magnetohydrodynamiczne
MHD.
Jest to technologia uzyskania
energii z węgla (konkurencyjną
pod względem sprawności jest
technologia
z
ogniwami
zasilanymi
wodorem
ze
zgazowania węgla).
Zalety MHD - brak ruchomych
elementów co pozwala na pracę
przy znacznie większej temp niŜ
inne systemy generacji, dlatego
moŜliwe jest osiągnięcie wyŜszych wydajności.
Zasada działania polega: strumień plazmy o temp 3000K i przewodności elektrycznej
100 S/m jest kierowany wzdłuŜ kanału MHD z prędkością ok. 1000 m/s. wektor
prędkości jest prostopadły do wektora indukcji magnetycznej. W przepływających
strumieniu plazmy indukują się siła elektromotoryczna generując napięcie między
dwoma elektrodami generatora połączonymi z odbiornikiem.
W zasadzie kaŜdy przewodzący płyn moŜe być uŜyty jako płyn roboczy.
Kluczowym elementem generatora jest nadprzewodzący magnes, który wytwarza pole
magnetyczne niezbędne do urzeczywistnienia procesu konwersji energii.
Wadą jest to Ŝe potrzebna są materiały o duŜej wytrzymałości na wysoką temperaturę.
25. Zjawisko termoelektryczne.
Zjawisko zaobserwowane w obwodach elektrycznych polegające na powstaniu efektów
cieplnych pod wpływem procesów elektrycznych i efektów elektrycznych pod wpływem
procesów cieplnych.
RozróŜnia się następujące zjawiska termoelektryczne:
zjawisko Seebecka - powstanie siły termoelektrycznej w zamkniętym obwodzie
składającym się z dwóch róŜnych metali, o ile miejsca styku tych metali znajdują się w
róŜnych temperaturach
zjawisko Peltiera - gdy prąd elektryczny przepływa, przez miejsce złączenia dwóch
róŜnych metali, to zaleŜnie od kierunku przepływu złącze to nagrzewa się lub oziębia.
Ochłodzeniu ulega złącze, w którym elektrony przechodzą z przewodnika o niŜszym
poziomie Fermiego do przewodnika o wyŜszym poziomie,
zjawisko Thomsona - nagrzewanie lub oziębianie pod wpływem przepływu prądu
występujące równieŜ w jednorodnym przewodniku, którego końce znajdują się w
róŜnych temperaturach