Ενότητα 8 : Κύκλοι Θερμικών Μηχανών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Θερμοδυναμική Ενότητα 8 : Κύκλοι Θερμικών Μηχανών Δρ Γεώργιος Αλέξης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί Ενότητας Η ενότητα αυτή στοχεύει στην εισαγωγή των φοιτητών στη λειτουργία και στις έννοιες που σχετίζονται με τους θεωρητικούς κύκλους των θερμικών μηχανών. Με την εμπέδωση των εννοιών αυτών οι φοιτητές θα μπορούν να διακρίνουν τους παράγοντες εκείνους που επηρεάζουν το βαθμό απόδοσης μιας θερμικής μηχανής. Τέλος, στόχος της ενότητας αυτής αποτελεί η κατανόηση από τους φοιτητές της σημασίας των εν λόγω εννοιών στη συμπεριφορά και τη λειτουργία των θερμικών μηχανών

Περιεχόμενα Ενότητας Κύκλος Αέρα-Otto Κύκλος Αέρα-Diesel Μέση Ενδεικνύμενη Πίεση Κύκλος Brayton Κύκλος Rankine

Κύκλο Αέρα-Otto (βενζινοκινητήρας) 2 1 4 3 V1=V4 V p V2=V3 Qin Qout W T s 1 2 3 4 s1=s2 s3=s4 V2=V3 V4=V1 Λόγος συμπίεσης:

Κύκλο Αέρα-Otto (2) Διεργασία 1-2: Αδιαβατική (1) Διεργασία 3-4: Αδιαβατική (2) Βαθμός απόδοσης:

Κύκλο Αέρα-Otto (3) Επομένως: Διότι από τις εξισώσεις (1) και (2): r η η=f(r) 8 11

Κύκλος Αέρα-Diesel (πετρελαιοκινητήρας) 2 1 4 3 V1=V4 V p V2 Qin Qout W V3 T 2 s s1=s2 s3=s4 3 4 1 P2=P3 V4=V1 Λόγος συμπίεσης: Λόγος αποκοπής:

Κύκλος Αέρα-Diesel (2) Διεργασία 1-2: Αδιαβατική (3) Διεργασία 3-4: Αδιαβατική (4) Βαθμός απόδοσης:

Κύκλος Αέρα-Diesel (3) Επομένως: Διότι από τις εξισώσεις (3) και (4): και από την ισόθλιπτη διεργασία 2-3:

Κύκλος Αέρα-Diesel (4) r η rc=1 (Otto) rc=2 rc=3 21 12 Είναι αξιοσημείωτο ότι εάν στο βαθμό απόδοσης του κύκλου Diesel ο λόγος αποκοπής τείνει στο 1 τότε ο βαθμός απόδοσης λαμβάνει τη μορφή του βαθμού απόδοσης του κύκλου Otto.

Μέση ενδεικνύμενη πίεση (mean effective pressure) Είναι εκείνη η σταθερή πίεση που εφαρμόζεται επί ενός εμβόλου που σαρώνει τον ίδιο όγκο εμβολισμού και παράγεται το ίδιο έργο που παράγεται κατά την πραγματική κίνηση του εμβόλου με τη μεταβαλλόμενη πίεση.

Κύκλο Brayton (αεροστρόβιλος) Θάλαμος καύσης Εναλλάκτης θερμότητας Συμπιεστής Στρόβιλος 4 3 2 1 Qout Qin Wt Wc Διεργασία 1-2: Ισεντροπική συμπίεση Διεργασία 2-3: Ισόθλιπτη Διεργασία 3-4: Ισεντροπική εκτόνωση Διεργασία 4-1: ισόθλιπτη

Κύκλο Brayton (2) 1 2 V p 3 4 ds=0 1 2 s T 3 4 dp=0 Λόγος συμπίεσης:

Κύκλο Brayton (3) Βαθμός απόδοσης: Για ιδανικά αέρια γενικώς: άρα: (5)

Κύκλο Brayton (4) Διεργασία 1-2: Ισεντροπική Διεργασία 3-4: Ισεντροπική Διότι Άρα

Κύκλο Brayton (5) και από την εξίσωση (5) προκύπτει: 55 38 p2/p1=r 20 η (%) 5≤rp≤10 για μονοβάθμια συμπίεση 20≤rp≤40 για πολυβάθμια συμπίεση

Κύκλο Brayton (6) Προσδιορισμός του μέγιστου έργου: (6) Οι θερμοκρασίες Τ1 και Τ3 είναι χαρακτηριστικές στον κύκλο και θα προσπαθήσουμε να τις αντικαταστήσουμε με το λόγο πιέσεων rp. ή ή

Κύκλο Brayton (7) Οπότε η (6) γίνεται: Εάν θεωρήσουμε cp, T1, T3 σταθερές και μηδενίζοντας την πρώτη παράγωγο του w ως προς το λόγο πιέσεων rp το έργο γίνεται μέγιστο.

Κύκλο Brayton (8) Για αυτή την τιμή του rp η θερμοκρασία Τ2=Τ4 διότι: και οπότε Αλλά επομένως: Τ2=Τ4 Επιπλέον δηλαδή για μέγιστο έργο θα πρέπει Τ2=Τ4

Κύκλο Rankine (ατμοστρόβιλος) Λέβητας Συμπυκνωτής Στρόβιλος Αντλία Wp Wt QC QB 4 3 2 1 4 1 s t 3 2 Διεργασία 1-2: Ισεντροπική συμπίεση Διεργασία 2-3: Ισόθλιπτη Διεργασία3-4: Ισεντροπική εκτόνωση Διεργασία 4-1: Ισόθλιπτη

Κύκλο Rankine (2) Λέβητας: QB=m(h3-h2) Στρόβιλος: Wt=m(h3-h4) Αντλία: Wp=m(h2-h1) Βαθμός απόδοσης:

Σημείωμα Αναφοράς © Copyright ΑΕΙ Πειραιά ΤΤ, Αλέξης Γεώργιος, 2016. «Θερμοδυναμική. Ενότητα 8: Κύκλοι Θερμικών Μηχανών». Έκδοση: 2.0. Αθήνα 2016.

Τέλος Ενότητας