av-3

13
AV 3 3. PROCESI U MOTORIMA 3.1. IDEALNI PROCESI - Odvijaju se uz ove pretpostavke: radna tvar je idealni 2-atomni plin (κ=1.4) tijekom ciklusa u cilindru radna tvar ne mijenja masu ni sastav izgaranje je potpuno, a proces izgaranja se zamjenjuje dovođenjem topline Q 1 proces je zatvoren tj. nema izmjene radne tvari izmjena se zamjenjuje odvođenjem topline Q 2 na kraju ekspanzije kompresija i ekspanzija su izentropske (dq=0) kompresijski omjer je isti kao i kod stvarnog motora: 2 1 min max V V V V ε OTTOV proces: toplina se dovodi kod V=konst. Termički stupanj djelovanja omjer odvedenog rada w t i dovedene topline q 1 : 1 q w t t 1 1 1 1 1 1 1 2 3 1 4 2 1 2 3 2 1 4 1 2 3 3 2 1 4 4 1 1 2 1 2 1 T T T T T T T T T T T T T T c T T c q q q q q v v Vrijedi: 1 1 2 1 1 2 v v T T , a zbog 3 4 2 1 v v v v je također 1 4 3 T T , pa važi: 4 3 1 2 T T T T => 2 3 1 4 T T T T => 1 1 2 3 1 4 T T T T pa je 2 1 1 T T t W t p 2 p 3 p 4 p 1 1 2 3 4 v 1 =v 4 q 1 =c v (T 3 -T 2 ) q 2 =c v (T 4 -T 1 ) s [J/kgK] κ W 1 κ 1 4 3 p 2 Q 1 p 3 ξ 2 Q 2 V 2 = V 3 V 1 = V 4 V S V c DMT GMT v 2 =v 3 T [K]

Upload: antonio-vladislavic

Post on 13-Dec-2015

225 views

Category:

Documents


7 download

DESCRIPTION

nxvb n

TRANSCRIPT

Page 1: AV-3

AV 3

3. PROCESI U MOTORIMA

3.1. IDEALNI PROCESI

- Odvijaju se uz ove pretpostavke:

radna tvar je idealni 2-atomni plin (κ=1.4)

tijekom ciklusa u cilindru radna tvar ne mijenja masu ni sastav

izgaranje je potpuno, a proces izgaranja se zamjenjuje dovođenjem topline Q1

proces je zatvoren – tj. nema izmjene radne tvari – izmjena se zamjenjuje odvođenjem topline Q2 na kraju ekspanzije

kompresija i ekspanzija su izentropske (dq=0)

kompresijski omjer je isti kao i kod stvarnog motora: 2

1

min

max

V

V

V

OTTOV proces: toplina se dovodi kod V=konst.

Termički stupanj djelovanja – omjer odvedenog rada wt i dovedene topline q1:

1q

wtt

1

1

1

1

1

11

2

3

1

4

2

1

2

3

2

1

41

23

3

2

14

4

1

1

2

1

21

T

T

T

T

T

T

T

TT

T

TT

TTc

TTc

q

q

q

qq

v

v

Vrijedi: 1

1

2

1

1

2

v

v

T

T , a zbog

3

4

2

1

v

v

v

v je također

1

4

3 T

T , pa važi:

4

3

1

2

T

T

T

T

=> 2

3

1

4

T

T

T

T => 11

2

3

1

4 T

T

T

T pa je

2

11T

Tt

Wt

p2

p3

p4

p1

1

2

3

4

v1=v4

q1=cv(T3-T2)

q2=cv(T4-T1)

s [J/kgK]

κ

W1

κ

1

4

3

p2

Q1

p3

ξ

2

Q2

V2= V3 V1= V4

VS Vc

DMT GMT

v2=v3

T [K]

Page 2: AV-3

Konačno, termički stupanj djelovanja Otto procesa 1

11

t

DIESELOV proces: toplina se dovodi kod p=konst.

Termički stupanj djelovanja – omjer odvedenog rada wt i dovedene topline q1:

1q

wtt

3

2

4

1

3

4

3

23

4

14

23

3

2

14

4

1

1

2

1

21

1

11

1

1

1

111

T

T

T

T

T

T

T

TT

T

TT

c

c

TTc

TTc

q

q

q

qq

p

v

p

v

Uvode se oznake: ρ=V3/V2 - omjer povećanja volumena kod izgaranja (ρ ili β)

ϑ=V4/V3 - ekspanzijski omjer (stupanj ekspanzije) (ϑ ili δ)

Sređivanjem dobije se termički stupanj djelovanja Diesel procesa 111

11

t

Niti jedan Dieselov motor danas ne radi po ovom referentnom procesu!!!

Wt

p2=p3

p4

p1

1

2

3

4

T [K]

v1=v4

q1=cp(T3-T2)

q2=cv(T4-T1)

v2

ϑ(δ) Wt

κ

1

4

p2=p3

Q1

2

Q2

V2 V1= V4

VS Vc

DMT GMT

p1 ε

ρ(β) 3

κ

v3

Page 3: AV-3

SABATHEOV proces: toplina se dovodi kod i v=konst. p=konst.

Termički stupanj djelovanja – omjer odvedenog rada wt i dovedene topline q1:

1q

wtt

3323

14

3323

14

1

2

1

21

''

111TTTT

TT

TTcTTc

TTc

q

q

q

qq

pv

v

Uz: ε=V1/V2 - kompresijski omjer

ρ=V3'/V3 - stupanj ekspanzije pri izobarnom dovođenju topline. (ρ ili β)

ξ=p3/p2 - stupanj povećanja tlaka pri izohornom dovođenju topline (ξ ili α)

Sređivanjem se dobije termički stupanj djelovanja Sabathe procesa

11

111

1

t

SABATHE proces je referentni proces za sve DIESEL motore, dok se za OTTO motore kao

referentni proces primjenjuje OTTO proces.

(S obzirom na to da posljednjih godina mnogi proizvođači intenzivno rade na razvoju motora koji usisavaju

gorivu smjesu koja se pali uslijed povećanja temperature kod kompresije, razlike između OTTO i DIESEL

motora postaju sve manje. Stoga se može očekivati da će SABATHEOV proces postati referentnom

procesom svih klipnih motora.)

Wt

p2

p3

p4

p1

1

2

3

4

T [K]

v1=v4

q'1=cv(T3-T2)

q''1=cp(T3

'-T3)

q2=cv(T4-T1)

3'

δ(ϑ) Wt

κ

1

4

3 Q'

1

ξ(α)

2

Q2

VS Vc

DMT GMT

Q''1

ρ(β) 3'

Q = Q'1+Q

''1

ε

v2=v3

Usporedbom ova jedina tri (do sad) pronađena tehnički izvodljiva procesa u MUI: Ottov,

Dieselov i Sabatheov, pokazalo se da najveći ηt ima Ottov proces. ZAKLUČAK: Ottov proces

predstavlja teorijske granice svakog drugog tehnički izvodljivog procesa u MUI. Drugim

riječima, svi ostali procesi, koji rade s istim kompresijskim omjerom ε, i između istog ogrjevnog

i istog rashladnog spremnika, mogu u najboljem slučaju imati ηt jednak Ottovom procesu a

nikako veći.

(Svi ostali procesi su oni koji imaju spomenuta 4 osnovna dijela: 1. usis radne tvari, 2. kompresiju, 3.

izgaranje i ekspanziju i 4. ispuh. Bolji,a li neizvodiv Carnotov proces otpada kao takmac jer se do sada

nije uspjelo realizirati izotermičko izgaranje.)

Page 4: AV-3

3.2. SREDNJI TLAK PROCESA

volumenStapajni

procesaRadprocesatlakSrednji

W

1

4

3 Q'

1

2

Q2

Q''1

3'

W

pm

p1

sm

V

Wp

ccs VVVVVV

V 21

2

1 ,,

Vc

VV cs

1Vc

Vs

1 Vc

Vs =>

1

1

Vs

Vc =>

1

11

Vs

VsV =>

1

111

Vs

V

1

1

Vs

V =>

11

VVs

11

1

V

Qp T

m

sm VpW

Srednji tlak procesa predstavljen je visinom

pravokutnika čija površina predstavlja rad

procesa, a osnovica mu je stapajni volumen.

Page 5: AV-3

Zadatak 3.1.

Odredi koristan rad i teoretski koeficijent djelovanja diesel procesa, ako je

Termički stupanj djelovanja (teoretski):

111

11

td

6104,0

167.14.1

167.1

14

11

4,1

14.1

td

Rad jednog ciklusa: 1qw tsts

231 TTcq p

1-2 izentropa:

1

1

2

1

1

2

V

V

T

T =>

112

TT

KT 92814323 14.12

2-3 izobara: 2

3

V

V

232

3

2

3 TTT

T

V

V

11

T

KT 15501467.1323 14.12

kgK

kJ22.628928155001.1231 TTcq p

kg

kJ5.38322.6286104.01 qw tdtd

ϑ Wt

κ

1

4

p2=p3

Q1

2

Q2

V2 V1= V4

VS Vc

DMT GMT

p1 ε

ρ 3

κ

p1 = 1 bar

t1 = 50 º C T1 = 323 oK

-stupanj kompresije:

ε = 14

κ =1.4

- stupanj povećanja volumena pri

dovođenju topline Q1 (ρ= V3/V2):

ρ = 1,67

-radni medij je zrak:

cp=1.01 kJ/kgK

Wtd = ?, ηtd = ?

Page 6: AV-3

Zadatak 3.2

Motor sa unutrašnjim izgaranjem radi sa kombiniranim Sabathe procesom. Početni tlak je p1 = 0,85 bar, a

temperatura t1 = 50 º C. Stupanj kompresije ε = 8; α = 2; ρ = 1,2. Odredi količinu dovedene topline Q1,

koristan rad Wts i teoretski stupanj djelovanja procesa ηts.

a)

11

111

1

ts

12.124.112

12.12

8

11

4.1

14.1

ts

559,0ts

b)

3323''

1'11 ´ TTcTTcqqq pv

vp

v

pcc

c

c

33231 ´ TTcTTcq vv

δ Wt

κ

1

4

3 Q'

1

α ili ξ

2

Q2

VS Vc

DMT GMT

Q''1

ρ 3' Q = Q'1+Q

''1

ε

p1 = 0,85 bar

t1 = 50 º C T1 = 323 oK

ε = 8

α =2, (α=ξ= p3 / p2)

ρ = 1,2, (ρ= V3`/V3)

______________

Q1 = ?

Wts = ?

ηts = ?

Page 7: AV-3

1-2 izentropa: 2

1

V

V

1

1

2

1

1

2

V

V

T

T =>

1

12

TT

2-3 izohora: 2

3

p

p

23

2

3

2

3 TTT

T

p

p

1

13

TT

3-3' izobara:

3

3'

V

V

333

3

3

3'

''

TTT

T

V

V

1

13'

TT

111

11

11

11

11

111

Tcq

TTcTTcq

v

vv

12.124.112832372.0 4,01 q

kJ/kg6.8341 q

c)

1qw tsts

6.834559.0 tsw

kJ/kg6.466tsw

Page 8: AV-3

Zadatak 3.3.

Za diesel proces zadane su temperature koje odgovaraju sljedećim karakterističnim točkama procesa:

t1=400C; t2=600

0C ; t4=270

0C

Odredi teoretski stupanj korisnog djelovanja i usporedi ga sa stupnjem djelovanja Carnotovg procesa.

Radno tijelo posjeduje osobine zraka.

111

11

td

3

11T

Tc

1-2 izentropa: 2

1

V

V

1

1

1

21

1

2

1

1

2

T

T

V

V

T

T =>

1

12

TT (1)

99.12313

873 14,1

1

1

1

1

2

T

T => ε = 13

2-3 izobara: 2

3

V

V

23

2

3

2

3 TTT

T

V

V (2)

ϑ Wt

κ

1

4

p2=p3

Q1

2

Q2

V2 V1= V4

VS Vc

DMT GMT

p1 ε

ρ 3

κ

Zadano:

t1=40 0C T1=313 K

t2=600 0C T2=873 K

t4=270 0C T4=543 K

κ=1.4

______________________________

Izračunati: ηtD, ηC

Page 9: AV-3

3-4 izentropa:

1

23

24

1

3

4

4

3

VV

VV

V

V

T

T

kako je 2

3

V

V , a V4=V1 =>

2

4

2

1

V

V

V

V

pa je

1

4

3

T

T =>

1

43

TT (3)

(2)=(3) =>

1

42

TT

uvrsti (1)

1

4

1

1

TT =>

1

1

4

T

T

482.1313

543 4.1

11

1

4

T

T

iz (2) 23 TT

K1294873482.13 T

76,01294

31311

61.01482.14.1

1482.1

13

11

3

1

4.1

14.1

T

Tc

td

ηtD = 0.61

ηC = 0.76

Page 10: AV-3

Zadatak 3.4

Četverotaktni Diesel motor ima kompresijski omjer 20:1. Početni uvjeti na kraju takta usisa su: p1=100 kPa,

t1=650C

a) Izračunati veličine stanja za sve točke ciklusa, toplinsku efikasnost ciklusa i srednji efektivni tlak ako je

β=2.5.

b) Izračunati sve isto za Sabathe cikus ako su max. tlakovi i dovedene topline jednake kao pod a), i α=1.9

Izračunati i ε.

kgK

kJ72.0

kgK

J5.717

104.1

287

1

Rcv

kgK

kJ007.1 vpvp cRcccR

a)

1:

kg

m97.0

10100

338287 3

31

11

p

RTv

1-2 izentropska kompresija:

bar29.66kPa9.662820100 4.112 pp

K28.112020338 14.1112 TT

kg

m0485.0

20

97.0 31

2

vv

ϑ Wt

κ

1

4

p2=p3

Q1

2

Q2

V2 V1= V4

VS Vc

DMT GMT

p1 ε

β(ρ) 3

κ

Zadano:

p1=100 kPa

t1=65 0C T1=338 K

ε=20

β=2.5 – stupanj povećanja volumena

kod izgaranja

α=1.9 - stupanj povećanja tlaka pri

izohornom dovođenju topline

Page 11: AV-3

2-3 izobarno dovođenje topline:

bar29.6623 pp

232

3 vvv

v

kg

m12125.00485.05.2

3

3 v

K7.280028.11205.2232

3

2

3 TTT

T

v

v

kg

kJ18.169228.11207.2800007.1231 TTcq p

3-4 izentropska ekspanzija:

4

334

v

vpp

kg

m97.0

3

14 vv

bar61.397.0

12125.020.66

4.1

4

p

1

4

334

v

vTT

K07.121997.0

12125.07.2800

14.1

4

T

kg

kJ37.63433807.121972.0142 TTcq v

Toplinska efikasnost ciklusa:

18.1692

37.63411

1

2 q

qtd

625.0td

Srednji efektivni tlak:

s

tDm

V

Wp ,

kg

kJ81.105737.63418.169221 qqWt

321 m9215.00485.097.0 vvVs

kPa92.11479215.0

81.1057, Dmp

bar48.11, Dmp

Page 12: AV-3

b)

bar89.349.1

29.6632

2

3

aa pp

p

p

1-2 izentropska kompresija:

645.1210100

89.344.1

21

2

1

2

s

p

p

p

pss

K58.932645.12338 14.1112 sTT

K58.9322 T

kg

m0767.0

645.12

97.0 31

2 s

vv

kg

m0767.0

3

2 v

2-3a izohorno dovođenje topline:

kg

m0767.0

3

23 vv a

58.9329.1232

3

2

3 TTT

T

v

va

aa

K9.17713 aT

kg

kJ31.60458.9329.177172.0231 TTcq ava

3a-3b izobarno dovođenje topline:

kg

kJ87.108731.60418.1692111 ab qqq

δ Wt

κ

1

4

3a Q1a

α ili ξ

2

Q2

VS Vc

DMT GMT

Q1b

βs 3b

Q1 = Q1a+Q1b

εs

p1=100 kPa

t1=65 0C T1=338 K

v1=0.97m3/kg

α=1.9 - stupanj povećanja tlaka pri

izohornom dovođenju topline

p3a= p3 = 66.29 bar

q1=1692.18 kJ/kg

Page 13: AV-3

9.1771007.1

87.10873

13331 a

p

bbabpb T

c

qTTTcq

K2.28523 bT

bar29.6633 ab pp

61.19.1771

2.2852

3

3

3

3 a

b

a

bs

T

T

v

v

0767.061.1333

3 aba

b vvv

v

kg

m1235.0

3

3 bv

3b-4 izentropska ekspanzija:

4

334

v

vpp b

b ili:

kg

m97.0

3

14 vv

4.1

497.0

1235.029.66

p

bar7.34 p

14.11

4

334

97.0

1235.02.2852

v

vTT b

b

K66.12504 T

kg

kJ12.65733866.125072.0142 TTcq v

Toplinska efikasnost ciklusa: 18.1692

12.65711

1

2 q

qtS

612.0ts

{ili: 612.0

161.19.14.119.1

161.19.1

645.12

11

11

111

4.1

14.11

s

ts }

Srednji efektivni tlak:

s

tSm

V

Wp ,

kJ08.103512.65718.169221 qqWt

321 m8933.00767.097.0 vvVs

kPa71.11588933.0

08.1035, Smp

bar59.11, Smp

b

b

v

v

p

p

3

4

4

3

δ – koeficijent izentropske ekspanzije

s

abab

a

b vv

vv

vv

vv

v

v

33

21

33

34

3

4

(v4=v1 i v3a=v2)

845.761.1

645.12

barpv

vpp b

bb 7.3

13

4

334