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 proudavanjeciklusa kod toplinskih motora veoma sloZenim. Zato su eksperimentalnaistraZivanja ovdje veoma prisutna, a ciklusi se nazivaju radni.

Medutim, desto je prisutna potreba da se izradunaju osnovni parametri odutjecaja na ekonomidnost rada motora, da se procijene ostali parametri odpresudnog utjecaj a na rad motora, izvr5e potrebne usporedbe s povratnimtermodinamidkim ciklusima i sl. Tada se proudavanja prenose na idealiziranecikluse 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 motorimaSUI (otovi, dizelovr, mlazni motori). U sludaju prijenosa topline na medrjposredstvom stijenke (izvana), to su motori SVI (parni strojevi). Temperaturamedija kod motora SUI mole biti daleko veda od temperature stijenke cilindra,a jo5 se potencira hladenjem stijenke. ViSe polazne temperature daju ovimmotorima 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 juobraduje glava VII.

Ovdje su obradeni samo termodinamidki (idealni) ciklusi. U toplinskirnstrojevima i uredajima odvijaju se stvarni realni ciklusi. Procesi realnih ciklusanisu s tako o5trim i prepoznatljivim prijelazima kao Sto je to sludaj kod idealniiciklusa. 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 termodinamidkogciklusa koji se u njegolu dast danas naziva Otto ciklus. Na bazi tog ciklusaizgradeni su i razvijeni motori s paljenjem mje3avine: gorivb-zrak, vanjskimizvorom (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 odvijaizmedu 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 medijaVrijednosti tlaka i temperature mogu se dobitikompresiju:

(12.1)

u cilindru, a i temperafura.iz jednadLbe za adijabatsku

sl.

t49

(povr5ina 1' 1 4 4'). Promatranjemodnosa toplina (povr5ina) na segmentupromjene

^S vidi se da obostrano

iscrtkana povr5ina (rad) u odnosu na

cjelokupnu povr5inu segmenta(dovedena toplina), ostaju u pribliZnoistom odnosu u bilo kom dijelu ciklusa.Zbog toga nema ni promjene stupnjakorisnosti pri promj eni opteredenja.

12.2. Promjena stupnja djelovanja Ottoovog ciklusau zavisnosti od parametara t{ i e

3. DIESELOV CIKLUS

Rudolf Diesel 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.

Usporedbom Dieselovog i Ottoovog ciklusa vidi se razlika u dovodenjutopline Q2j . Izohomo dovodenje topline kao Sto je u Ottoovom ciklusuzamijenio je Diesel u njegovom ciklusu izobarnim dovodenjem. To je moguieako se kompresijom ostvaruje dovoljno visok tlak za dobivanje rada u ciklusu, ada pri tome stupanj korisnosti bude povoljan. Diesel je predvidio kompresijudistog zraka, pa stupanj kompresije moZe biti takvih vrijednosti da se naknadnoubrizgano gorivo samo od sebe zapali (samopaljenje goriva). Tako relativnovisoki tlak nije potrebno pove6avati i u procesu izgaranja, pa se izgaranje odvijauz 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

a odvedenu toplinu Qal izraz (12.6). Rad ciklusa dobiva se kao razlika dovedenei odvedene topline (12.7). Nepovratljivost izohornog procesa odvodenjajednaka je nepowatljivosti izobarnog dovodenja topline ASal = AS j2 .

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-TrTl= | -'t - N T,-7,

5to nakon uvodenja poznatih odnosa i uredenja postaje:

t r, o-l\a=l F,r,(,p-l) (l2.lo)

gdje jeT

T2(0= - porast volumena u toku dovodenja topltrc Q2j .

Izraz (12.10) sadrZi u svom obliku izraz za stupanj djelovanja Ottoovogciklusa. Zato zaklju(,ak da 11 raste kada i e raste vrijedi i ovdje. Porast odnosavolumena rp odraLava se negativno, tj. smanjuje vrijednost stupnja djelovanja.Utjecaj € i q nastupanj djelovanja prikazanje nasl. 12.4.

_ _219!_n!!:\ i\

\ \ i\

;:j,\\l'i._i:-::E

51. 12.4. Promjena stupnja djelovanja Dieselovog ciklusa

u zavisnosti parametara Q i e

Utjecaj optereienja vidljiv je i na Zs dijagramu ciklusa. Stupanj

djelovanjaodgovaraodnosupovr5ina 123 4 i I'23 4' Zbog razlike u

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 ostalimdijelom Q" pnizobai.

Ukupno dovedena toplina iznosi Q = Q' + Q" . U ostala tri dijela ciklusje identidan Otto i Diesel ciklusima, sl. 12.5. Time se Sabatheov ciklus dobivakombiniranjem Ottoovog i Dieselovog ciklusa. Iz tog razloga se u strudnoj

literaturi desto naziva i kombiniranim ciklusom.