Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

6. Tepelné oběhy a jejich realizace

Autor: Jiří Škorpík, skorpik.jiri@email.cz

V předchozích článcích 4. Využití energie větru, 5. Využití energie vodního spádu a 2. Sluneční záření jako zdroj energie jsou představeny zařízení schopné transformovat kinetickou energii větru, potenciální energii vodního spádu a elektromagnetické vlnění na elektrickou energii respektive práci. Existují ale i zařízení, které jsou schopny transformovat teplo na práci respektive elektřinu. V takových zařízení se realizuje nějaký tepelný oběh(1). Obecné principy tepelného oběhu a základní pojmy jsou vysvětleny v článku 43. Technická termomechanika. Mimo tepelených oběhů transformující teplo v práci existují i tepelné oběhy, které dokáží pomocí přivedené práce zvyšovat teplotní hladinu pracovní látky např. chladící oběh.

(1)Přímá transformace tepla na elektřinu
Teplo lze přímo transformovat na elektřinu v termoelektrických nebo termoemisních zařízeních [8, s. 854].

V tomto článku popisuji některé ideální tepelné oběhy. Tzv. Ideální tepelný oběh je složen z vratných termodynamických změn. Technické praxi nelze ideální oběhy dokonale realizovat (limity jsou technické i investiční) pouze se k nim přiblížit, takové oběhy můžeme nazývat reálné tepelné oběhy. Například porovnání ideálního oběhu pístového parního motoru s reálným v kapitole 29. Indikátorový (reálný) p-V diagram. Aby se reálné oběhy blížily těm ideálním, musely by probíhat velmi pomalu, a musely by se také na minimum omezit ztráty. Hlavním důvodem přiblížit podobu reálného oběhu tomu ideálnímu je dosažení vysoké tepelné účinnosti oběhu. Proto se tepelné oběhy složené pouze z vratných termodynamických změn nazývají také porovnávací tepelné oběhy.

Tepelné oběhy se znázorňují v p-V diagramech a nebo v T-s diagramech, ve kterém jsou lépe patrny energetické toky pro vytvoření energetické bilance oběhu.

Oběhy spalovacích motorů

Tímto pojmem jsou označovány oběhy objemových strojů (nejčastěji pístových), u kterých hoření palivové směsi probíhá přímo v pracovním objemu-válci, proto se také nazývají motory s vnitřním spalováním. V technické praxi se lze nejčastěji setkat s variantami tří takových oběhů, a to Lenoirova oběhu, Ottova oběhu a Dieselova oběhu pojmenované po svých objevitelích Jeanu Lenoirovi, Nikolausu Ottovi a Rudolfu Dieselovi:

● 1 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Lenoirův oběh

Jedná se o oběh plynového pístového motoru. Celý oběh je realizován během jednoho otočení hřídele, kdy ve válci postupně probíhá nasátí vzduchu a hořlavého plynu, zapálení a hoření této směsi, expanze horkých spalin a nakonec vytlačení spalin z válce:

p-v diagram Lenoirova oběhu.
1.976 p-v diagram Lenoirova oběhu.
i sání; e výfuk; ip sání paliva nebo vstřik paliva v případě jeho kapalné fáze; iv sání vzduchu; s zapalovací svíčka. p [Pa] tlak; V [m3] objem; κ [-] Poissonova konstanta pracovního plynu ve válci; a [J·kg-1] měrná práce oběhu; K konstanta. Čárkovaně je vyznačen reálný průběh oběhu.

Lenoirův oběh je složena ze čtyř termodynamických vratných změn(2, 3, 4, 5):

(2)Sání
Sání probíhá na úseku 1-2 tj. během pohybu pístu z horní úvratí do polohy 2.
(3)Hoření
Ve stavu 2 se uzavře sací ventil i a pomocí zapalovací svíčky s je zapálena palivová směs ve válci. Nastává izochorické zvyšování tlaku při vzniku horkých spalin. V ideálním případě tento děj probíhá, když píst stojí.
(4)Expanze
Po dosažení maximálního tlaku dochází k izoentropické expanzi ze stavu 3 do stavu 4. Stavu 4 oběh dosáhne, když je píst v dolní úvrati.
(5)Výfuk
Pohybem pístu z dolní úvrati 4 do úvrati horní 1 probíhá výfuk spalin při otevřeném výfukovém ventilu e. Nyní se celý oběh může opakovat.

Změny stavu pracovního plynu ve skutečném motoru zaznamenané v p-v diagramu (indikátorový diagram) se liší od ideálního oběhu. To je dáno nepřetržitým-plynulým chodem pístu a hořením, které probíhá i při expanzi.

● 2 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Motor, ve kterém je snahou se tomuto oběhu co nejvíce přiblížit se nazývá Lenoirův plynový motor. Při prvních realizacích byl vybaven šoupátkovým rozvodem a jako palivo se používal svítiplyn o atmosférickém tlaku, který byl společně nasáván se vzduchem.

T-s diagram Lenoirova oběhu a základní rovnice.
2.977 T-s diagram Lenoirova oběhu a základní rovnice.
T [K] absolutní teplota; s [J·kg-1·K-1] měrná entropie; qD [J·kg-1·K-1] měrné teplo dodané do oběhu; qOd [J·kg-1·K-1] měrné teplo odvedené z oběhu; v [m3·kg-1] měrný objem; cv [J·kg-1·K-1] měrná tepelná kapacita plynu při stálém objemu (v tomto případě je uvažována jako konstanta, ale ve skutečnosti se během chemických reakcí hoření trochu mění); cp [J·kg-1·K-1] měrná tepelná kapacita plynu při stálém tlaku (v tomto případě je uvažována jako konstanta, ale ve skutečnosti se během chemických reakcí hoření trochu mění); ηt [-] tepelná účinnost oběhu. Při odvození základních rovnic ze vychází  rovnic Prvního zákona termodynamiky pro uzavřený systém, protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci. Odvození rovnic energetické bilance Lenoirova oběhu je uvedeno v Příloze 977.

V Lenoirově oběhu se teplo generuje přímo uvnitř stroje hořením palivové směsi, proto mluvíme o motoru s vnitřním spalováním. Navíc se každý oběh koná s novou náplní (výměna pracovní tekutiny po každém oběhu), proto hovoříme i o otevřeném oběhu. Při návrhu reálného oběhu je nutné zohledňovat i skutečnost, že při hoření se mohou měnit termodynamické vlastnosti pracovního plynu/směsi/spalin.

Výbušný (Ottův) oběh

Výbušný oběh je rozdělen do čtyř termodynamických vratných změn probíhajících ve válci s pístem a dvěma ventily (sací a výfukový). Celý oběh se realizuje během dvou zdvihů pístu (čtyři doby nebo též čtyři takty). Pracovní látkou je hořlavá směs, nejčastěji to bývá směs vzduchu a hořlavých par paliva nebo hořlavého plynu:

● 3 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
p-v diagram výbušného oběhu .
3.617 p-v diagram výbušného oběhu.
i sání pracovní směsi, píst se pohybuje k dolní úvrati při otevřeném sacím ventilu; 1-2 izoentropická komprese pracovní směsi, sací ventil uzavřen (kompresní poměr – poměr maximálního a minimálního objemu válce se pohybuje od 8 do 13 podle typu paliva [7, s. 11]), stav 2 musí odpovídat tlaku a teplotě nižší než je teplota vznícení směsi ale zároveň už musí odpovídat teplotě hoření; 2-3 hoření směsi-ve stavu 2 dojde pomocí zapalovací svíčky s k iniciaci hoření směsi, která velice rychle shoří, přičemž se zvýší její tlak a teplota na stav 3. Ideálně hoření probíhá izochoricky – píst se nepohybuje; 3-4 expanze horkých spalin – izoentropická expanze horkých spalin ze stavu 3 do stavu 4. Přitom spaliny působí na píst silou, který se pohybuje do své dolní úvrati; 4-1 výfuk – ve stavu 4 se otevře výfukový ventil a větší část spalin je z válce vyfouknuta do výfuku. Oběh je ukončen vytlačením zbylých spalin z válce pomocí pohybu pístu k horní úvrati, přes otevřený výfukový ventil e. Nyní se celý oběh může opakovat.

K realizaci výbušného oběhu by bylo potřeba, mimo jiné, přetržitého chodu pístu. Takový mechanismus je pro praktické požití nevhodný a pohyb pístu je nejčastěji realizován spojitě pomocí klikového mechanismu. Odtud je zřejmé, že nemohou být realizovány izochorické děje na úseku 1-3 a 4-1 oběhu, ale pouze se k takovým dějům lze přiblížit. U reálných motorů se proto zapálení směsi děje ještě před dosažením horní úvrati pístu (s předstihem) během komprese. Podobně se s předstihem provádí otevření výfukového ventilu ještě před dosažením dolní úvrati pístu během expanze spalin. Na tvar oběhu mají vliv i ventily a sací a výfukové potrubí představující tlakové odpory, což snižuje práci oběhu.

Výbušný oběh lze realizovat i ve dvou taktech. U dvoutaktních motorů probíhá při pohybu pístu k dolní úvrati postupně hoření, expanze a nakonec i výfuk. Výfukový ventil e se otvírá ještě před dosažením dolní úvrati. Při pohybu pístu k horní úvrati jsou ze začátku otevřeny ventily pro výfuk e i sání i, přičemž sání probíhá díky podtlaku vzniklým ochlazením právě vyfukovaných spalin. Po uzavření sacího ventilu probíhá komprese a před horní úvratí i zapálení směsi. Místo pro výfuk je umístěn nikoliv na čele pístu, ale někde v oblasti dolní úvrati. Dvoutaktní motor je jednodušší než čtyřtaktní, má větší výkon při stejných otáčkách, ale horší účinnost ve větší části provozních parametrů.

Původně se tyto motory nazývaly Ottovy motory, v současné době se dává přednost označení zážehové motory.

● 4 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
T-s diagram výbušného oběhu a základní rovnice.
4.620 T-s diagram výbušného oběhu a základní rovnice.
Při odvození základních rovnic ze vychází  rovnic Prvního zákona termodynamiky pro uzavřený systém, protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci. Odvození rovnic energetické bilance výbušného oběhu je uvedeno v Příloze 620.

Oběh vznětového motoru (Dieselův oběh)

Rovnotlaký oběh je rozdělen do čtyř taktů podobně jako oběh výbušný, s tím rozdílem, že dosahuje mnohem většího stlačení, ohřev pracovní látky probíhá izobaricky a palivo je vstřikováno přímo do válce:

p-v diagram výbušného oběhu. 5.978 p-v diagram rovnotlakého (Dieselova) oběhu.
Tučně je vyznačena ideální realizace rovnotlakého oběhu, čerchovaná čára vyznačuje přibližný průběh reálného rovnotlakého oběhu.

Oběh začíná sáním vzduchu pohybem pístu k dolní úvrati při otevřeném sacím ventilu iv (stav 1). Po uzavření sacího ventilu dojde k izoentropické kompresi vzduchu ze stavu 1 do stavu 2. Kompresní poměr se pohybuje od 14 do 23 (čísla pro reálný oběh). Stav 2 musí odpovídat tlaku a teplotě samovznícení směsi vzduchu a paliva, které se do válce vstřikuje tryskou ip na konci komprese vzduchu. Rychlost pohybu pístu k dolní úvrati musí být taková, aby spalování směsi probíhalo izobaricky až do stavu 3. Mezi stavy 3-4 probíhá izoentropická expanze a píst se pohybuje k dolní úvrati. V dolní úvrati (stav 4) se otevře výfukový ventil a většina spalin je vyfouknuta přetlakem z válce do výfuku. Výfuk se děje izochoricky – píst se nepohybuje do chvíle než tlak poklesne na tlak p1.

● 5 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

I u vznětových motorů je pohyb pístu realizován klikovým mechanismem s plynulým otáčením, takže nelze realizovat izochorickou změnu 4-1, a ani další vratné změny.

Existují i zjednodušené motory, u kterých je počet taktů redukován na dva, podle stejného principu jako je využíváno u výbušného motoru. Dvoutaktní motor je jednodušší, má větší výkon při stejných otáčkách, ale horší účinnost ve větší části provozních parametrů.

Existuje mnoho variant rovnotlakého motoru. Například pokud je použita palivová směs s velmi vysokou teplotou vznícení, tak je motor vybaven žhavící svíčkou umístěnou těsně před vstřikem paliva do válce. V případě paliv s velmi nízkou výhřevností (například bioplyn) je motor vybaven i zapalovací svíčkou.

T-s diagram rovnotlakého oběhu a základní rovnice .
6.979 T-s diagram rovnotlakého oběhu a základní rovnice.
Při odvození základních rovnic ze vychází rovnic Prvního zákona termodynamiky pro uzavřený systém, protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci. Odvození rovnic energetické bilance rovnotlakého oběhu je uvedeno v Příloze 979.

Ve výbušném motoru probíhá hoření směsi při vyšší teplotě než ve vznětovém motoru, a proto má vyšší účinnost využití energie v palivu. Naproti tomu důsledkem vysoké teploty je vznik mnohem většího množství škodlivých sloučenin NOx.

Přeplňování spalovacích motorů

Spalovací motory bývají pro zvýšení výkonu vybavovány tzv. přeplňováním (zvýšení obsahu kyslíku a paliva ve válci zvýšením tlaku vzduchu na sání). K přeplňování se nejčastěji používá turbodmychadla poháněné výfukovými spalinami. Alternativou jsou dmychadla pohaněné přes mechanický převod hřídelem motoru nebo rezonanční sací potrubí aj.

Přeplňování se především používá u vznětových motorů, u kterých nevadí větší tlak na vstupu. U výbušných oběhů má přeplňování smysl při použití paliv s vyšší zápalnou teplotou (např. letecký benzín) [2, s. 82], protože komprese palivové směsi musí končit před dosažením teploty samovznícení směsi nebo při nasávání vzduchu chudého na kyslík např. ve velkých výškách. Přeplňování lze použít u zážehových motorů s malým kompresním poměrem válců.

● 6 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Rankine-Clausiův oběh (R-C oběh; parní oběh)

Jedná se o nejrozšířenější tepelný oběh v oblasti energetiky. Parní oběh je zároveň technicky nejstarší využívaný tepelný oběh. O jeho historii si můžete přečíst v kapitole 1. Historie strojů na páru. Pracovní látkou v tomto oběhu je voda (proto se často označuje jako parní oběh), ale používají se i alternativní pracovní látky [25.].

Parní oběh se začal používat nejdříve pro transformaci tepla v práci pomocí pístových parních motorů, v současnosti je parní stroj nahrazen parními turbínami, ale princip oběhu to nemění, i když parní turbína je lopatkový stroj pístový parní motor je stroj objemový. Na rozdíl od oběhů spalovacích motorů se schéma parního oběhu skládá z několika vzájemně propojených zařízení:

Zjednodušené schéma zařízení pro realizaci Rankine-Clausiova oběhu. 7.621 Zjednodušené schéma zařízení pro realizaci Rankine-Clausiova oběhu(6, 7, 8, 9).
k. parní kotel (parogenerátor v případě jaderných elektráren; p.t. parní turbína popřípadě i jiný typ parního motoru; el.g. elektrický točivý generátor; kon. kondenzátor (uvnitř kondenzuje vodní pára); ch.v. chladící věž; n.č. napájecí čerpadlo (zvyšuje tlak proudící vody do kotle).
(6)Zvýšení tlaku napájecí vody 1-2
Z bodu 1 do bodu 2 probíhá zvýšení tlaku vody z tlaku p1 na tlak p2 pomocí napájecího čerpadla. Voda je téměř nestlačitelná, proto příkon čerpadla je malý při srovnání s výkonem parní turbíny 3-4.
(7)Skupenská přeměna vody v kotli-výroba páry
V parním kotli je nejdříve voda o vysokém tlaku ohřívána až na mez sytosti kapaliny 2-3', a až v navazující části kotle dochází k varu vody na stavu syté páry 3'-3''. Ve většině případů je vzniklá pára ještě tzv. přehřívána v části kotle zvané přehřívák na stav 3.
(8)Expanze páry v parní turbíně
V parní turbíně probíhá v ideálním případě izoentropická expanze ohraničená stavy 3 a 4. Práce turbíny bývá nejčastěji transformována na elektrickou energii pomocí elektrického generátoru.
(9)Skupenská přeměna páry v kondenzátoru-kondenzace
Na konec expanze navazuje kondenzace páry 4-1. Ta probíhá v kondenzátoru. Tím je oběh uzavřen, protože voda se nachází opět ve stavu 1. Kondenzátor je nejčastěji nádoba protkána chladícím potrubím, na jehož povrchu pára kondenzuje. Z kondenzovaná voda je odváděna ze spodní části kondenzátoru, kde se hromadí. Chladící voda pro chladící potrubí se ochlazuje např. v chladících věží, ale existují i jiné konstrukční varianty kondenzátorů a způsobů jeho chlazení.

Parní oběh zakreslený v T-s či i-s diagramu dává reálnou představu a způsobu transformace energie a energetických tocích:

● 7 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
Rankine-Clausiův oběh v T-s a i-s diagramu vody a vodní páry.
8.55 Rankine-Clausiův oběh v T-s a i-s diagramu vody a vodní páry.
Stav páry v bodě 3 je 9,4 MPa, 550 °C, tlak kondenzace 9 kPa. i [J·kg-1] měrná entalpie; t [°C] teplota; x [-] suchost páry (poměr hmotnosti páry ve vzorku k celkové hmotnosti vzorku).

Teplo je pracovní látce dodáváno pouze v kotli, odváděno v kondenzátoru. Práce se koná v turbíně. Naopak napájecí čerpadlo práci spotřebovává a o tuto práci je výsledná práce oběhu menší:

Energetická bilance Rankine-Clausiova oběhu.
9.622 Energetická bilance Rankine-Clausiova oběhu.
ic [J·kg-1] měrná celková entalpie; aT [J·kg-1] měrná vnitřní práce turbíny; ač [J·kg-1] měrná vnitřní práce čerpadla. Termodynamické změny oběhu probíhají v několika vzájemně propojených zařízeních, proto se provádí energetická bilance pro každé zvlášť pomocí rovnice Prvního zákona termodynamiky pro otevřený systém. Rovnice jsou odvozeny při zanedbání změny potenciální energie pracovní látky v Příloze 622.

Parní oběh je oběh s vnějším přestupem tepla, takže není odkázán jen na použití čístých fosilních paliv, ale lze jako zdroj tepla použít i biomasu, sluneční energii, jadernou energii atd).

Vypočítejte měrnou práci turbíny, suchost páry na konci expanze v turbíně, teplotu vody v kondenzátoru, tepelnou účinnost R-C oběhu a porovnejte práci napájecího čerpadla s prací turbíny pro následující parametry: teplota páry na výstupu z kotle 450 °C, tlak páry 3,5 MPa, tlak v kondenzátoru 3 kPa. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 623.
Úloha 1.623

Reálné schéma zařízení pro realizaci parního oběhu nevypadá tak jednoduše jako na Obrázku 7. Kvůli zvyšování výkonu a účinnosti se provádí regenerace tepla, pro výtopenské a jiné účely se odebírá v různých částech oběhu pára, včetně odběrů páry v parní turbíně, viz také kapitola 23. Parní turbíny.

● 8 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Braytonův oběh (Jouleho oběh)

Původním myšlenkou George Braytona bylo vylepšení spalovacích motorů rozdělením komprese a expanze do dvou vzájemně propojených pístových strojů, přičemž spalování hořlavé směsi by probíhalo před expanzím strojem ve speciální komoře. V současné době se místo pístových strojů používají lopatkové stroje tj turbokompresor a turbína, proto se také takovému soustrojí dnes říká spalovací turbína. Existují i verze soustrojí s vnějším přestupem tepla, kde místo spalovací komory je výměník tepla, ve kterém se ohřívá pracovní plyn:

Schéma zařízení Braytonova oběhu.
10.624 Schéma zařízení Braytonova oběhu.
(a) uzavřený oběh; (b) otevřený oběh (tzv. spalovací turbína a další otevřené aplikace). K kompresní část soustrojí; OH ohřívák pracovního plynu; E expanzní část soustrojí; ch. chladič; SK spalovací komora s přívodem paliva.

V jednotlivých částech soustrojí v ideálním případě probíhají následující termodynamické změny(10, 11, 12, 13):

(10)Komprese
V kompresní části probíhá izoentropická komprese pracovního plynu ze stavu 1 do stavu 2.
(11)Ohřev plynu
Ohřev pracovního plynu probíhá izobaricky z teploty T2 na teplotu T3 buď v ohříváku OH nebo spalovací komoře SK.
(12)Expanze plynu
V expanzní části pracovní plyn izoentropicky expanduje ze stavu 3 do stavu 4, přitom pracovní plyn koná práci, která se odvádí ve formě otáčejícího se hřídele. Obvykle turbína přímo pohání, přes společnou hřídel, turbokompresor, který spotřebovává větší část práce turbíny. Zbytek práce může být využit například k pohonu el. generátoru.
(13)Ochlazení plynu v chladiči
V chladiči probíhá izobarické ochlazení pracovního plynu na teplotu T1 a celý oběh se může opakovat.

V případě otevřeného oběhu je na sání kompresní části atmosférický vzduch, který je spolu s palivem smíchán a spalován ve spalovací komoře. Horké spaliny expandují v turbínové části, a pak proudí do výfuku.

● 9 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
Braytonův oběh v T-s diagramu ideálního plynu. 11.58 Braytonův oběh v T-s diagramu ideálního plynu.
Pracovní plyn a oběh má tyto parametry: cp=1,004 J·kg-1·K-1, (suchý vzduch bez CO2 při at. podmínkách), κ=1,402, p1=pat (atmosférický tlak), p2=1 MPa, t1=20 °C, t3=1 300 °C, složení pracovního plynu je stálé. U otevřeného oběhu se spalovací komorou se složení pracovního plynu mění v důsledku spalování.

Energetická bilance Braytonova oběhu je následující:

Energetická bilance Braytonova oběhu.
12.59 Energetická bilance Braytonova oběhu.
ae [J·kg-1] měrná vnitřní práce expanze; ak [J·kg-1] měrná vnitřní práce komprese. Pro každé zařízení plynové turbíny se energetická bilance provádí zvlášť. To znamená, že k jednotlivým zařízením se přistupuje jako k otevřeným termodynamickým soustavám. Rovnice Braytonova oběhu jsou odvozeny při zanedbání změny potenciální energie v Příloze 59.
Stanovte teploty pracovního plynu v jednotlivých bodech Braytonova oběhu, výkon a tepelnou účinnost oběhu. Jestliže měrná tepelná kapacita pracovního plynu je konstantní, cp=konst.=1,004 J·kg-1·K-1 (suchý vzduch při at. podmínkách), κ=1,402, p1=pat, p2=1 MPa, t1=20 °C, t3=1300 °C, m=30 kg·s-1. Řešení úlohy je uvedeno v Příloze 625.
Úloha 2.625

Spalovací turbíny mají široké uplatnění v letectví, kde jsou pohonou jednotkou v proudových motorech i v energetice, o čemž pojednáv i kapitola 23. Plynové turbíny.

Chladící oběh

Mimo oběhy, ve kterých ze transformuje teplo na práci existují oběhy s obráceným pochodem. Takové oběhy práci spotřebovávají za účelem změny stavových veličin pracovní tekutiny (ledničky, tepelná čerpadla a pod.). Především v technice tepelných čerpadel je rozšířený chladící oběh s kompresorem [3, s. 170], [5]:

● 10 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
Chladící oběh v T-s diagramu a jeho schéma zařízení.
13.628 Chladící oběh v T-s diagramu a jeho schéma zařízení.
k kompresor; š škrtící orgán; v výparník (uvnitř dochází k odpařování pracovní látky); ch ochlazovaná tekutina. Pracovní látkou nebývá voda (vysoká teplota tuhnutí), ale například směs par vody a čpavku respektive roztok vody a čpavku. Vlastnosti takových směsí se blíží látce, která je v ní více zastoupena a naopak [1, s. 26], [4, s. 508]. V případě směsí se tedy tvar oběhu v T-s diagramu bude od uvedeného měnit, ale princip zůstává stejný, stejně tak se bude měnit i schéma zařízení oběhu.

V jednotlivých zařízení v ideálním případě probíhají následující termodynamické změny(14, 15, 16, 17):

(14)Komprese pracovního plynu
V kompresoru se pracovní plyn (pára) komprimuje ze stavu 1 do stavu 2.
(15)Chlazení a kondenzace pracovního plynu
V kondenzátoru se nejdříve pracovní plyn ochladí na mez sytosti plynu a následně zkondenzuje až na mez sytosti kapaliny 3. Tlak tekutiny je p2.
(16)Škrcení syté kapaliny
Škrcení syté kapaliny se provádí ve škrtícím orgánu (snížení tlaku z p2 na p3). Při snížení tlaku se část syté kapaliny vypaří, takže na konci škrcení je pracovní tekutina ve formě mokré páry.
(17)Var pracovní tekutiny
Var pracovní tekutiny probíhá ve výparníku, ve kterém pracovní tekutina přejde do stavu syté páry 1.

Teplo je tedy do oběhu dodáváno ve výparníku, odváděno v kondenzátoru. Práce je oběhem spotřebovávána a to při kompresi:

Rovnice energetické bilance chladícího oběhu.
14.629 Rovnice energetické bilance chladícího oběhu.
εR [-] chladící faktor(18). Rovnice chladícího oběhu jsou odvozeny při zanedbání změny potenciální energie v Příloze 629.
● 11 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
(18)Chladící faktor
Z definice chladícího faktoru je zřejmé, že příkon chladícího oběhu roste s rozdílem teplot mezi chladící látkou a okolím.

Chladící oběh se používá k chlazení nebo k vytápění. V případě chlazení je chlazené látce teplo odebíráno pomocí výparníku, který bývá umístěn v chlazené látce nebo obtékán chlazenou tekutinou.

Carnotizace tepelného oběhu

U každého tepelného oběhu složeného z vratných termodynamických lze definovat střední teplotu přívodu tepla do oběhu T‾T a střední teplotu odvodu tepla z oběhu T‾S vzorci:

Střední teplota přívodu a odvodu tepla tepelného oběhu.
15.172 Střední teplota přívodu a odvodu tepla tepelného oběhu.
T‾T [K] střední teplota přívodu tepla do oběhu; T‾S [K] střední teplota odvodu tepla z oběhu. Střední teplota přívodu tepla do oběhu představuje teplotu izotermického děje probíhající mezi entropiemi smin a smax vyšetřovaného tepelného oběhu, přičemž množství přivedeného tepla při tomto ději je stejné jako množství přivedeného tepla vyšetřovaného tepelného oběhu. Střední teplota odvodu tepla z oběhu představuje teplotu izotermického děje probíhající mezi entropiemi smax a smin vyšetřovaného tepelného oběhu, přičemž množství odvedeného tepla při tomto ději je stejné jako množství odvedeného tepla vyšetřovaného tepelného oběhu.

Například u Carnotova oběhu je střední teplota přívodu tepla do oběhu rovna teplotě T1 (T‾T=T1) a střední teplota odvodu tepla z oběhu rovna teplotě T3 (T‾S=T3). U R-C oběhu je teplota T‾T a T‾S následující:

R-C oběh – definice střední teploty přívodu tepla do oběhu a střední teploty odvodu tepla z oběhu.
16.125 R-C oběh – definice střední teploty přívodu tepla do oběhu a střední teploty odvodu tepla z oběhu.
τ‾ [-] teplotní poměr středních teplot. Střední teplota přívodu tepla do oběhu je někde mezi teplotami T2 a T3. Střední teplota odvodu tepla z oběhu je rovna kondenzační teplotě T1, protože teplo se odvádí z oběhu pouze při kondenzaci (izotermický děj). Oběh složený ze středních teplot (T‾T; T‾S) a z příslušného rozdílu entropií vytvoří ekvivalentní Carnotův oběh, který koná stejnou práci, má stejné množství odvedeného a přivedeného tepla, a proto má i stejnou tepelnou účinnost jako původní R-C oběh.
● 12 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Smyslem takového převodu je zjistit možnosti zvýšení tepelné účinnosti daného oběhu. Tepelná účinnost oběhu se zvýší zvýší-li se teplotní poměr τ‾. To znamená zvýšit střední teplotu přívodu tepla do oběhu nebo snížit střední teplotu odvodu tepla z oběhu. Například u uvedeného R-C oběhu je zřejmé, že zvýšením tlaku p2 se zvýší i střední teplota přívodu tepla do oběhu a tím i tepelná účinnost bez ohledu na maximální teplotu oběhu. Podobným způsobem lze u každého tepelného oběhu definovat teplotu T‾T a T‾S a pomocí nich snadno sledovat vliv parametrů pracovní látky na tepelnou účinnost oběhu. Obecně se záměrné změny parametrů tepelného oběhu za účelem zvýšení tepelné účinnosti nazývá Carnotizace oběhu. V energetice se lze setkat např. s carnotizací R-C oběhu a carnotizací Braytonova oběhu atd.

Z uvedeného převodu je zřejmé, že pro účinnost tepelného oběhu je důležitý teplotní poměr τ‾ a nikoliv poměr nejvyšší a nejnižší teploty oběhu.

Tepelné stroje a podobné pojmy

Tepelným strojem se nazývá takové zařízení, ve kterém dochází k transformaci vnitřní tepelné energie a tlakové energie neboli entalpie pracovní látky na práci či naopak(19, 20). Tepelné výměníky (kotle, kondenzátory i hořáky) nejsou tepelnými stroji.

(19)Tepelná elektrárna
Obvykle se tak nazývá komplex budov a zařízení postavených za účelem výroby elektrické energie pomocí tepelného oběhu. U tepelných elektráren se používají často názvy podle druhu paliva nebo principu funkce, například elektrárna na fosilní paliva, geotermální elektrárna, jaderná elektrárna; solární elektrárna... Účinnost transformace tepla na elektřinu v tepelné elektrárně se nazývá účinnost tepelné elektrárny (nebo také tepelná účinnost) a je definovaná jako poměr elektrického výkonu na prahu elektrárny ku disponibilnímu teplu v palivu dodané do elektrárny:
Účinnost tepelné elektrárny.
17.1091 Účinnost tepelné elektrárny.
η [-] účinnost tepelné elektrárny; Pe [W] elektrický výkon elektrárny na prahu elektrárny; Ppal [W] dodávaný disponibilní výkon v palivu do elektrárny.
(20)Teplárna
Obvykle se tak nazývá komplex budov a zařízení postavených za účelem výroby elektrické energie a tepla pomocí nějakého tepelného oběhu (takový proces se nazývá kombinovaná výroba elektřiny a tepla zkráceně KVET nebo kogenerace). Místo názvu teplárna se používá i název kogenerační zdroj či kogenerační jednotka.

V současné době se před budováním tepelných elektráren velmi zvažuje, zda by ji nebylo možné nahradit teplárnou. Při transformaci tepla na práci respektive elektřiny se velká část tepla musí z oběhu odvést. Je přirozeně hospodárnější toto odvedené teplo také využít (pokud to dovolí okolnosti – blízkost teplovodu či parovodu..., které přivádí teplo ke spotřebiči tepla, který může být i několik desítek kilometrů vzdálený). .

● 13 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Využitím odvedeného tepla z oběhu se lépe využije teplo obsažené v palivu, což zvyšuje návratnost investice do zařízení. Na druhou stranu teplárna je složitější, protože prioritním úkolem teplárny je dodávka tepla, jsou teplárny konstruovány tak, aby zajistily dodávku tepla i v případě výpadku technologie pro výrobu elektřiny. Navíc musí obsahovat technologie pro sdílení a rozvod tepla.

Teplárny mývají také menší tepelnou účinnost oběhu, protože teplota pracovních látek v teplovodech a parovodech musí být na určité výši (pro vytápění a výrobu teplé užitkové vody aspoň 80 °C90 °C, pro průmyslové účely i vyšší), což u některých typů tepelných oběhů znamená zvýšit střední teplotu odvodu tepla z oběhu a tedy i snížit tepelnou účinnost oběhu. V souvislosti s teplárnou se definuje teplárenský modul a celkové využití energie v palivu:

Celkové využití energie v palivu (účinnost teplárny) a teplárenský modul.
18.479 Celkové využití energie v palivu (účinnost teplárny) a teplárenský modul.
ηtep [-] celková účinnost využití tepla v palivu v teplárně; e [-] teplárenský modul teplárny. PT [W] tepelný výkon teplárny na prahu teplárny (dodávané množství tepla do rozvodů tepla).

Teplárenský modul teplárny je především funkcí typu tepelného stroje a jeho výkonu:

Typ teplárny                                 e [-]    
------------------------------------------------------
teplárna s R-C oběhem                        0,15..0,4
teplárna s Braytonovým oběhem                0,4...0,7
teplárna se spalovacím motorem*              0,6...0,8
teplárna s paroplynovým oběhem               0,7...1,2
19.967 Obvyklé teplárenské moduly tepláren podle typu tepelného oběhu.
*Pro vyšší výkony. Teplárenské moduly dalších technologií jsou uvedny v kapitole 10. Kombinovaná výrova elektřiny a tepla v domácnostech.

V České republice se nejvíce používají teplárny se spalovacími motory, teplárny s parními turbínami a teplárny se spalovacími turbínami.

Schéma zařízení kogenerační jednotky se spalovacím motorem.
20.208 Schéma zařízení kogenerační jednotky se spalovacím motorem.
1 přívod paliva; 2 přívod spalovacího vzduchu přes filtr; 3 spalovací motor; 4 elektrický generátor; 5 odvod el. energie; 6 odvod horkých spalin z motoru; 7 tepelný výměník spaliny-voda (výměník může být nahrazen parogenerátorem na požadavek zákazníka); 8 komín; 9 okruh chladící vody motoru s cirkulačním čerpadlem; 10 tepelný výměník chladící voda-voda; 11 tepelný výměník olej-voda; 12 regulace průtoku a teploty oleje; 13 vývod teplé vody z kogenerační jednotky; 14 spotřebiče teplé vody (například ústřední vytápění); 15 chladič (pro případ, že spotřebiče tepla 14 mají sníženou spotřebu nebo jsou mimo provoz); 16 regulace teploty a množství teplé vody ke spotřebičům; 17 hranice kogenerační jednotky.
● 14 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●

Malé kogenerační jednotky se nejčastěji dodávají v kompaktním provedení (v kontejneru), ale u větších výkonů je nutná stavba speciální strojovny a infrastruktury:

Kogenerační jednotka se spalovacím motorem o výkonu 20 kW.
21.209 Kogenerační jednotka se spalovacím motorem o výkonu 20 kW.
1 víko protihlukového krytu; 2 nádrž na doplnění oleje; 3 spalovací motor; 4 generátor; 5 spalinový výměník a tlumiče hluku; 6 přívod plynu (paliva); 7 výstup topné vody; 8 vstup vratné vody; 9 výstup spalin; 10 hlavní vypínač; 11 řídící systém; 12 počítadlo motohodin; 13 rozvaděč. Pohledy nejsou ve stejném měřítku. Zdroj [6].

Odkazy

  1. HOCH, Václav. Chladící technika, 1992. Vydání první. Brno: VUT v Brně, ISBN 80-214-0412-4.
  2. KOŽOUŠEK, Josef. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I, 1978. Vydání první. Praha: SNTL, 368 stran, 333 obrázků, 12 tabulek.
  3. HLOUŠEK, Jiří. Termomechanika, 1992. 1. vydání. Brno: Vysoké učení technické v Brně, ISBN 80-214-0387-X.
  4. SHAVIT, Arthur, GUTFINGER, Chaim. Thermodynamics from concepts to applications, 2009. Second edition. New York: CRC Press, Taylor&Francis Group, ISBN 978-1-4200-7368-3.
  5. ZLATAREVA, Veneta. Tepelná čerpadla, 2001. Praha: ČEA–česká energetická agentura, [on-line]. Dostupné dostupné z http://www.mpo-efekt.cz/cz/ekis/publikace/953, [cit. 2012].
  6. Tedom, a.s., výroba kogeneračních jednotek a spalovacích motorů. Adresa: Hrotovická - průmyslová zóna 160, 674 01 Třebíč, web: http://tedom.com. [cit. 2013-08]
  7. JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav. Automobily–Motory, 2010. 6. vydání. Brno: Avid, spol. s.r.o., ISBN 978-80-87143-15-5.
● 15 ●
● 6. Tepelné oběhy a jejich realizace ●
  1. HEŘMAN, Josef. Příručka silnoproudé elektrotechniky, 1986. 2. nezm. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1028 s.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Tepelné oběhy a jejich realizace, Transformační technologie, 2006-11, [last updated 2018-01-17]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/06.html. English version: Heat cycles and their realizations. Web: http://www.transformacni-technologie.cz/en_06.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
● 16 ●

Úplná verze článku

Celý článek včetně příloh je uveden v e-knize:

6. Tepelné oběhy a jejich realizace. 6. Tepelné oběhy a jejich realizace
16 stran textu + 7 stran příloh.

Náhledy: Titulní strana, Příloha 59.
Formát: PDF, velikost A4.





Cena: 35 Kč
Koupit

Soubor všech e-knih tématu Zdroje a přeměna energie lze koupit s množstevní slevou zde.