| zdroje-energie.html |   |
Teplo lze transformovat na práci pomocí tepelných oběhů, tedy opakující se sérii změn stavových veličin pracovního plynu v objemovém nebo lopatkovém stroji. Proč je taková transformace možná je popsáno v článku Technická termomechanika. V tomto článku jsou už popsány některé ideální tepelné oběhy, které jsou složeny z vratných termodynamických změn. Technické praxi nelze ideální oběhy dokonale realizovat pouze se k nim přiblížit, takové oběhy můžeme nazývat reálné tepelné oběhy. Například porovnání ideálního oběhu pístového parního motoru s reálným v kapitole Návrh p-V diagramu pístového parního motoru. 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. Každý tepelný oběh by měl mít porovnávací oběh, aby bylo možné definovat ztráty a oběh optimalizovat.
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.
Tímto pojmem, nebo pojmem výbušné motory, jsou označovány oběhy objemových strojů (nejčastěji pístových), u kterých přerušované (výbušné) hoření palivové směsi probíhá přímo v pracovním objemu – válci, proto se také nazývají motory s vnitřním spalováním.
Nejčastěji se jako porovnávací oběhy těchto motorů používají tyto tři oběhy: Lenoirův oběh, Ottův oběh a Dieselův oběh, které jsou pojmenovány po svých tvůrcích Jeanu Lenoirovi, Nikolausu Ottovi a Rudolfu Dieselovi.
Jedná se o oběh plynového pístového motoru. Celý oběh je realizován během jednoho otočení hřídele – říkáme, že probíhá během dvou dob, první odpovídá trvání pohybu pístu z horní do dolní úvrati a druhá odpovídá trvání pohybu pístu z dolní úvrati do horní. Ve válci postupně probíhá: 1. nasátí vzduchu a hořlavého plynu; 2. zapálení a hoření této směsi; 3. expanze horkých spalin; 4. vytlačení spalin z válce, které spadá už do druhé doby. Viz Obrázek 976, s. 2.
1/4. Sání směsi paliva (plyn) a vzduchu (okysličovadla) otevřeným ventilem i je realizováno pístem při jeho pohybu z horní do dolní úvrati. V p-V diagramu je tento proces popsán izobarickou změnou na úseku 1-2.
2/4. Po dokončení sání (píst není ještě v dolní úvrati) je uzavřen ventil i a směs je zapálena pomocí zapalovací svíčky s – nastává hoření. Hoření probíhá ideálně náhle mezi body 2-3 v p-V diagramu (tzv. izochorická změna), při kterém roste tlak i teplota pracovního plynu ve válci.
3/4. Po ukončení hoření horké spaliny, v ideálním případě izoentropicky, expandují při pohybu pístu zpět do původního tlaku při sání. V p-V diagramu tuto změnu popisuje křivka mezi stavy 3-4, kdy píst právě dosáhne dolní úvrati.
4/4. Po ukončení expanze se otevře ventil pro výfuk spalin e a pohybem pístu z dolní do horní úvrati se vytlačí z válce ven. Po uzavření ventilu pro výfuk se může celý oběh opakovat. V p-V diagramu je tato změna popsána přímkou mezi body 4-1.
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.
Největší rozdíly mezi p-V digramem ideálním a reálným vznikají vlivem tlakových ztrát při proudění plynů, kontinuálním pohybem pístu, který se při hoření nezastaví, a při sdílením tepla s okolím.
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.
svítiplyn o atmosférickém tlaku, který byl společně nasáván se vzduchem.
Výpočet Lenoirova oběhu není složitý a jednotlivé vzroce lze snadno odvodit ze zákonů pro vratné termodynamické změny a pravidel pro konstrukci T-s diagramů, Obrázek 977.
Při návrhu reálného oběhu je nutné zohledňovat i skutečnost, že při hoření se mohou měnit termodynamické vlastnosti pracovního plynu/směsi/spalin.
Zážehový oběh je rozdělen do čtyř termodynamických vratných změn probíhajících ve válci s pístem a dvěma ventily (sací a výfukový). Celý oběh je realizován během dvou zdvihů pístu (čtyři doby nebo též čtyři takty), Obrázek 617 a 620, s. 4. Vstupní pracovní látkou je hořlavá směs, nejčastěji to bývá směs vzduchu a hořlavých par paliva nebo hořlavého plynu. Původně se tyto motory nazývaly Ottovy motory, v současné době se dává přednost označení zážehové motory.
K realizaci zážehového oběhu by bylo potřeba, mimo jiné, přetržitého chodu pístu. Takový mechanismus je pro praktické použití 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 tzv. 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.
Zážehový oběh lze realizovat i během dvou dob. U dvoudobých 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.
U moderních benzínových motorů, které mají blízko k oběhu zážehovému, se vstřikuje benzín přímo do válce aby se zvýšila teplota a snížila spotřeba paliva, problém je ale vznik sazí, které se odstraňují ve filtru tuhých částic.
Vznětový oběh (též rovnotlakový) je rozdělen do čtyř dob podobně jako oběh zážehový, s tím rozdílem, že dosahuje mnohem většího stlačení, aby se palivo ve válci samo vznítilo nebo mělo k vznícení velmi blízko. Uvolňování tepla z paliva probíhá ideálně izobaricky a palivo je vstřikováno přímo do válce, Obrázeky 978, 979.
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.
Vznětové motory vykazují větší tepelnou účinnost než motory zážehové, protože hoření směsi probíhá při vyšší teplotě. Naproti tomu důsledkem vyšší teploty hoření je vznik mnohem většího množství škodlivých sloučenin NOx a tuhých zbytků po hoření.
Existují i zjednodušené motory, u kterých je počet dob redukován na dvě, podle stejného principu jako je využíváno u zážehového motoru. Dvoutaktní motor je jednodušší, má větší výkon při stejných otáčkách, ale horší účinnost ve větší části provozních parametrů.
V případě chudé palivové směsi nebo paliva s vyššími teplotami vznícení se motory vybavují žhavící svíčkou umístěnou těsně před vstřikem paliva do válce. V případě paliv s velmi nízkou výhřevností (například bioplyn) je motor vybaven i zapalovací svíčkou.
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 turbodmychadlo poháněné výfukovými spalinami. Alternativou jsou dmychadla pohaněné přes mechanický převod hřídelem motoru nebo rezonanční sací potrubí aj. [2], [7, s. 134 až 141].
V případě kapalných paliv se komprimuje před válcem motoru pouze vzduch, ale u plynných paliv je nutné komprimovat už směs paliva a vzduchu (tzn. palivo a vzduch je nutné smíchat již před stlačením). Za přeplňovacím orgánem je obvykle ještě chlazení, aby se zvýšila hustota vzduchu. Toto chlazení je také nutné u paliv s nízkou teplotou vznícení, aby nedocházelo k samozápalu paliva.
Přeplňování pomocí turbodmychadla nebo rezonancí zvyšuje nejen výkon ale i účinnost motoru tím, že s přeplňováním je dosaženo stejného kroutícího momentu na hřídeli při nižších otáčkách a tedy i ztráty třením v ložiscích jsou menší. Navíc se za určitých podmínek zlepší i spalování. Naopak při mechanickém pohonu dmychadla účinnost motoru klesá [2, s. 82]. Výkony turbodmychadel odpovídají asi 5 až 15 % výkonu motoru.
Přeplňování se používá především u vznětových motorů, u kterých nevadí větší tlak na vstupu. U zážehových 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 ale také použít u zážehových motorů s malým kompresním poměrem válců, čímž zvýšíme jejich výkon bez nutnosti zvětšit jejich objem.
Jedná se o nejrozšířenější tepelný oběh v energetice. Parní oběh je zároveň nejdéle využívaný tepelný oběh. Pracovní látkou v tomto oběhu je voda, ale používají se i alternativní pracovní látky. Parní oběh se začal používat nejdříve pro transformaci tepla na 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 a pístový parní motor je stroj objemový. Na rozdíl od oběhů spalovacích motorů se schéma parního oběhu skládá z několika vzájemně propojených zařízení, Obrázek 621, v T-s a i-s diagramech se zakreslují stavy pracovní látky na vstupech a výstupech zařízení (Obrázek 55).
Na počátku transformace tepla na práci v parním oběhu se nejprve zvýší tlak vody pomocí čerpadla z nízkého tlaku p1 na tlak p2. Na obrázku při tomto procesu projde voda úsekem 1-2.
V parním kotli je nejdříve voda o tlaku p2 ohřívána až na mez sytosti kapaliny (na obrázku projde úsekem 2-3'), a až v navazující části kotle dochází k varu vody na stav syté páry (úsek 3'-3''). Ve většině případů je vzniklá pára ještě tzv. přehřívána v části kotle zvané přehřívák (úsek 3'-3).
V parní turbíně probíhá v ideálním případě izoentropická expanze (úsek 3-4), při které se energie obsažená v páře transformuje na práci. Práce turbíny bývá nejčastěji využita k výrobě elektrické energie.
Na turbínu navazuje kondenzátor, ve kterém pára kondenzuje (z kondezované voda se shromažduje v nádrži s pojene s dnem kondenzátoru pro další využití), úsek 4-1. Tím je oběh uzavřen, protože voda se nachází opět ve stavu 1. Kondenzátor je nejčastěji nádoba protkána chladícím potrubím, na jehož povrchu pára kondenzuje. Chladící vodu lze ochlazovat např. v chladících věží, ale existují i jiné konstrukční varianty kondenzátorů a způsobů jeho chlazení.
Parní oběh je oběh s vnějším přestupem tepla, takže není odkázán jen na použití čistých fosilních paliv, ale lze jako zdroj tepla použít i biomasu, sluneční energii, jadernou energii atd).
Reálné schéma zařízení pro realizaci parního oběhu nevypadá tak jednoduše jako na Obrázku 621, s. 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 Úvod do parních turbín.
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. Odtud lze odvodit rovnice energetické bilance parního oběhu, Rovnice 622.
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 expanzním 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, Obrázek 624.
V jednotlivých částech soustrojí v ideálním případě probíhají následující termodynamické změny: 1. izoentropická komprese; 2. izobarický ohřev; 3. izoentropická expanze; 4. izobarické ochlazení. Všechny změny jsou zakresleny v T-s digramu Braytonova oběhu na Obrázku 58, s. 10, rovnice pro výpočet viz Rovnice 59, s. 10.
1/4. Před kompresí se nachází pracovní plyn ve stavu 1. V kompresní části probíhá izoentropická komprese pracovního plynu ze stavu 1 do stavu 2. V případě otevřeného oběhu se jedná o nasávaný vzduch.
2/4. Pracovní plyn o vysokém tlaku je za konstantního tlaku (izobaricky) ohříván z teploty T2 na teplotu T3, buď v ohříváku OH, nebo spalovací komoře SK pomocí paliva – úsek 2-3.
3/4. Pracovní plyn o vysoké teplotě a tlaku izoentropicky expanduje v expanzní části ze stavu 3 do stavu 4, přitom pracovní plyn koná práci, která je odváděna ve formě otáčejícího se hřídele. Obvykle expanzní část přímo pohání přes společnou hřídel turbokompresor, který spotřebovává větší část práce turbíny. Zbytek práce může být využit například k pohonu el. generátoru, tato přebytečná práce je prací oběhu a.
4/4. V chladiči probíhá izobarické ochlazení pracovního plynu na teplotu T1 a celý oběh se může opakovat. V případě otevřeného oběhu jsou výsledné spaliny vyfukovány přes výfuk do atmosféry.
Spalovací turbíny mají široké uplatnění v letectví, kde jsou pohonou jednotkou v proudových motorech i v energetice, o čemž pojednává kapitola Úvod do spalovacích turbín.
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], Obrázek 628.
V jednotlivých zařízení chladícho oběhu s kompresorem v ideálním případě probíhají následující termodynamické změny: 1. komprese; 2. kondenzace; 3. škrcení; 4. var pracovní tekutiny při nízké teplotě.
1/4. Na počátku oběh disponuje sytou párou pracovní tekutiny o tlaku p1. Tato pára je stlačována v kompresoru izonetropicky na tlak p2 do stavu 2, ve kterém má nejen vyšší tlak, ale i teplotu.
2/4. Pára o vysokém tlaku p2 je ochlazována v kondenzátoru, tak aby dosáhla stavu syté kapaliny.
3/4. Na výstupu z kondenzátoru je pracovní tekutina odvedena přes speciální škrtící ventil do výparníku – během škrcení dojde k takovému snížení tlaku, že část tekutiny se odpaří už při škrcení.
4/4. Ve výparníku je dodáváno pracovní látce teplo a ta se odpařuje na stav sytosti. Na výstupu z výparníku je tedy ve stavu 1.
Účelem takového oběhu je ochlazovat chladící látku procházející výparníkem a ohřívat chladící látku procházející kondenzátorem. Například u ledničky je chladící látkou procházející výparníkem vzduch v ledničce a teplem z kondenzátoru je ohříván okolní vzduch ledničky.
Tento oběh práci nekoná, ale spotřebovává, jak plyne z Rovnic 629 popisující energetickou bilanci chladícího oběhu.
Tepelnou účinnost vyšetřovaného porovnávacího oběhu ovlivňují jeho konkrétní parametry v jeho různých částech (teploty, tlaky..., případně zapojení). Tyto parametry lze optimalizovat tak, aby pro danou aplikaci dosahoval oběh maximální možné tepelné účinnosti. Změny provedené u porovnávacího oběhu lze převést na reálný oběh a zvýšit i jeho tepelnou účinnost.
Podstatou, v této kapitole popsané metody zvyšování tepelné účinnosti, je znalost Carnotova oběhu, který dosahuje maximální tepelné účinosti, jaká je fyzikálně možná pro danou střední teplotu přívodu i odvodu tepla oběhu definované v podkapitole Účinnost transformace energie. O těchto teplotách víme, že čím je jejich podíl větší, tím bude i tepelná účinnost největší a nikoliv poměr nejvyšší a nejnižší teploty oběhu. Cílem je tedy u vyšetřovaného tepelného oběhu nejprve definovat uvedené střední teploty (viz příklad parního oběhu na Obrázku 125) a následně podat návrhy jakými způsoby by tyto střední teploty by bylo možno zvýšit – o tom například kapitola Zvyšování účinnosti bloku a Carnotizace parního oběhu. Tento proces se nazývá Carnotizace.
Obecně můžeme za tepelný stroj považovat jakékoliv zařízení, ve kterém zpracováváme teplo. V užším smyslu se jedná o zařízení, ve kterém dochází k transformaci vnitřní tepelné energie a tlakové energie neboli entalpie pracovní látky na práci či naopak.
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 uhelná elektrárna, geotermální elektrárna, jaderná elektrárna; solární elektrárna... Tepelné elektrárny se budují v blízkosti zdroje paliva nebo z důvodů jiných provozních výhod – v blízkosti zdroje vody (řeka, nádrž), vedení VVN apod.
geotermální elektrárna, jaderná elektrárna; solární elektrárna... Tepelné elektrárny se budují v blízkosti zdroje paliva nebo z důvodů jiných provozních výhod – v blízkosti zdroje vody (řeka, nádrž), vedení VVN apod.
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, viz Vzorec 1091.
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), proto se místo názvu teplárna je používán i název kogenerační zdroj či kogenerační jednotka.
Výkon teplárny s parní turbínou (viz podkapitola Schéma zařízení teplárny) obvykle odpovídá celkové spotřebě připojených spotřebičů tepla a páry. Teplárny se budují v blízkosti spotřebiče tepla či páry a někdy jsou přímo součásti průmyslového komplexu s velkou spotřebou tepla, páry nebo elektřiny.
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). 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 °C až 90 °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. Nicméně tím, že odvedené teplo z oběhu je využito, tak celkové využití energie v palivu, neboli účinnost teplárny, je výrazně větší než elektrárny se stejnou technologií výroby elektřiny, viz Vzorec 479, s. 14.
Teplárny tedy produkují část energie ve formě elektřiny a část ve formě tepla podíl těchto dvou výkonů nazýváme teplárenským modulem (Vzorec 479). Teplárenský modul je především funkcí typu tepelného stroje, například teplárenský modul tepláren s parním oběhem bývá od 0,15 do 0,4, tepláren s Braytonovým oběhem od 0,4 do 0,7, tepláren se spalovacími motory vyšších výkonů od 0,6 do 0,8 a tepláren s paroplynovým oběhem od 0,6 do 0,8 – teplárenské moduly dalších technologií jsou uvedny v kapitole Kombinovaná výroba elektřiny a tepla v domácnostech.
V České republice jsou běžné teplárny s parními turbínami, teplárny s paroplynovým oběhem (společné využití parního a Braytonova oběhu) a teplárny se spalovacími motory (viz Obrázek 208 a 209).
