Tento web obsahuje aplikaci Google analytics, která využívá data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokies lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

6. TEPELNÉ OBĚHY A JEJICH REALIZACE

Článek z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie; ISSN 1804-8293;
www.transformacni-technologie.cz; Copyright©Jiří Škorpík, 2006-2020. All rights reserved. Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

Úvod

Vymezení pojmů reálný a vratný tepelný oběh a jaké znalosti je nutné mít k pochopení

Teplo43. lze transformovat na práci43. pomocí tepelných oběhů43., tedy opakující se sérii změn stavových veličin pracovního plynu v objemovém nebo lopatkovém stroji. Proč je taková transformace možná je popsáno v článku Technická termomechanika43.. V tomto článku jsou už popsány některé ideální tepelné oběhy, které jsou složeny z vratných termodynamických změn43.. 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 motoru28. s reálným v kapitole Návrh p-V diagramu pístového parního motoru29.. Aby se reálné oběhy blížily těm ideálním, musely by probíhat velmi pomalu, a musely by se také na minimum omezit ztráty.

Proč potřebujeme znát ideální tepelné oběhy

Hlavním důvodem přiblížit podobu reálného oběhu tomu ideálnímu je dosažení vysoké tepelné účinnosti43. oběhu. Proto se tepelné oběhy složené pouze z vratných termodynamických změn nazývají také porovnávací tepelné oběhy43.. Každý tepelný oběh by měl mít porovnávací oběh, aby bylo možné definovat ztráty a oběh optimalizovat.

Zobrazujeme v diagramech stavových veličin

Tepelné oběhy se znázorňují v p-V diagramech43. a nebo v T-s diagramech43., ve kterém jsou lépe patrny energetické toky pro vytvoření energetické bilance oběhu.

Oběhy spalovacích motorů

Také výbušné nebo motory s vnitřním spalováním

Tímto pojmem, nebo pojmem výbušné motory, jsou označovány oběhy objemových strojů11. (nejčastěji pístových), u kterých přerušované (výbušné) hoření palivové směsi probíhá přímo v pracovním objemu – válci, proto se také nazývají motory s vnitřním spalováním.

Lenoir, Otto a Diesel

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 Lenoirovi1., Nikolausu Ottovi1. a Rudolfu Dieselovi1..

Lenoirův oběh

Dvoudobý motor

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
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
p-v diagram Lenoirova oběhu
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 [-] exponent izoentropy43. pracovního plynu ve válci; a [J·kg-1] měrná práce oběhu; K konstanta. Modře je vyznačen reálný průběh oběhu.
Sání

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.

Zapálení a hoření

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.

Expanze

3/4. Po ukončení hoření horké spaliny, v ideálním případě izoentropicky43., 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.

Výfuk

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.

Motor s vnitřním spalováním a otevřeným oběhem

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.

Kde vznikají rozdíly mezi ideálním a reálným oběhem oběhem

Největší rozdíly mezi p-V digramem ideálním a reálným vznikají vlivem tlakových ztrát38. při proudění plynů, kontinuálním pohybem pístu, který se při hoření nezastaví, a při sdílením tepla s okolím.

Lenoirův plynový motor

Motor, ve kterém je snahou se tomuto oběhu co nejvíce přiblížit se nazývá Lenoirův plynový motor1.. Při prvních realizacích byl vybaven šoupátkovým rozvodem a jako palivo se používal svítiplyn7. o atmosférickém tlaku, který byl společně nasáván se vzduchem.

2
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

svítiplyn7. o atmosférickém tlaku, který byl společně nasáván se vzduchem.

Výpočet Lenoirova oběhu

Výpočet Lenoirova oběhu není složitý a jednotlivé vzroce lze snadno odvodit ze zákonů pro vratné termodynamické změny a pravidel pro konstrukci T-s diagramů43., Obrázek 977.

T-s diagram Lenoirova oběhu a základní rovnice
977 T-s diagram Lenoirova oběhu a základní rovnice
T [K] absolutní teplota; s [J·kg-1·K-1] měrná entropie43.; 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 objem43.; cv [J·kg-1·K-1] měrná tepelná kapacita plynu při stálém objemu; cp [J·kg-1·K-1] měrná tepelná kapacita plynu při stálém tlaku; ηt [-] tepelná účinnost oběhu. Při odvození základních rovnic ze vychází  rovnic Prvního zákona termodynamiky pro uzavřený systém43., protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci. Odvození rovnic energetické bilance Lenoirova oběhu je uvedeno v Příloze 977, s. 24.
Při hoření se mění termodynamické vl. pracovního plynu

Při návrhu reálného oběhu je nutné zohledňovat i skutečnost, že při hoření se mohou měnit termodynamické vlastnosti pracovního plynu/směsi/spalin.

Oběh zážehového motoru (Ottův oběh)

Čtyřdobý motor na kapalná i plynná paliva

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 motory1., v současné době se dává přednost označení zážehové motory.

Rozdíl mezi ideálem a realitou, spojitý pohyb pístu a předstih

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 mechanismu31.. 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.

3
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
p-v diagram zážehového oběhu
617 p-v diagram zážehového 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. Modře je zakreslen přibližný průběh reálného oběhu zážehového motoru.
T-s diagram zážehového oběhu a základní rovnice
620 T-s diagram zážehového 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 zážehového oběhu je uvedeno v Příloze 620, s. 18.
Dvoudobá verze

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.

4
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Moderní benzinový motor a vstřik paliva přímo do válce

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.

Oběh vznětového motoru (Dieselův oběh)

Čtyři doby, velké stlačení pro dosažení teploty vznícení

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 vznítilo1. nebo mělo k vznícení velmi blízko. Uvolňování tepla z paliva probíhá ideálně izobaricky a palivo je vstřikováno přímo do válce, Obrázeky 978, 979.

p-v diagram vznětového oběhu
978 p-v diagram vznětového (Dieselova) 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. Modře je vyznačen přibližný průběh reálného vznětového oběhu.
T-s diagram vznětového oběhu a základní rovnice
979 T-s diagram vznětového oběhu a základní rovnice
Při odvození základních rovnic ze vychází z rovnic Prvního zákona termodynamiky pro uzavřený systém, protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci. Odvození rovnic energetické bilance vznětového oběhu je uvedeno v Příloze 979, s. 25.
5
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Rozdíly oproti ideálu

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.

Porovnání se zážehovým motorem

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 NOx7. a tuhých zbytků po hoření.

Dvoudobá varianta vznětového motoru

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.

Nutnost zapálení směsi u paliv malých výhřevností

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 bioplyn3.) je motor vybaven i zapalovací svíčkou.

Přeplňování spalovacích motorů

Cílem je zvýšit tlak vzduchu na sání pomocí dmychadla

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 turbodmychadlo23. poháněné výfukovými spalinami. Alternativou jsou dmychadla pohaněné přes mechanický převod hřídelem motoru nebo rezonanční sací potrubí aj. [2], [7, s. 134 až 141].

Lze stlačovat i palivovou směs

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 snižuje opotřebení motoru

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 třením24. 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.

Podmínky pro použití přeplňování

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.

6
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

Rankine-Clausiův oběh (parní oběh)

Parní oběh se realizuje v několika vzájemně propojených zařízení

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 látky25.. Parní oběh se začal používat nejdříve pro transformaci tepla na práci pomocí pístových parních motorů1., v současnosti je parní stroj nahrazen parními turbínami1., ale princip oběhu to nemění, i když parní turbína je lopatkový stroj11. 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).

Základní schéma zařízení pro realizaci parního oběhu
621 Základní schéma zařízení pro realizaci parního oběhu
k. parní kotel1. (parogenerátor9. v případě jaderných elektráren9.; 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 pro chlazení vody zvyšováním relativní vlhkosti vzduchu43.; n.č. napájecí čerpadlo (zvyšuje tlak proudící vody do kotle).
Příklad parního oběhu v T-s a i-s diagramu vody a vodní páry
55 Příklad parního oběhu 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 entalpie43.; t [°C] teplota; x [-] suchost páry (poměr hmotnosti páry ve vzorku k celkové hmotnosti vzorku).
7
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Čerpání vody do vyššího tlaku

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.

Výroba páry v kotli

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).

Expanze páry v turbíně

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.

Kondenzace páry a kondenzátor

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.

Výhody oběhu s vnějším přestupem tepla

Parní oběh je oběh s vnějším přestupem tepla, takže není odkázán jen na použití čistých fosilních paliv7., ale lze jako zdroj tepla použít i biomasu3., sluneční energii2., jadernou energii9. atd).

Schéma zařízení s parním oběhem bývá mnohem složitější

Reálné schéma zařízení pro realizaci parního oběhu nevypadá tak jednoduše jako na Obrázku 621, s. 7. Kvůli zvyšování výkonu a účinnosti se provádí regenerace tepla25., pro výtopenské a jiné účely se odebírá v různých částech oběhu pára včetně odběrů páry v parní turbíně23., viz také kapitola Úvod do parních turbín23..

Výpočet parního oběhu

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.

Rovnice energetická bilance parního oběhu
622 Rovnice energetická bilance parního 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 (viz kapitola Práce průtočných strojů a oběhy, ve kterých pracují43.). Rovnice jsou odvozeny při zanedbání změny potenciální energie pracovní látky v Příloze 622, s. 19.
623 Úloha
Vypočítejte měrnou práci turbíny, suchost páry na konci expanze v turbíně, teplotu vody v kondenzátoru, tepelnou účinnost parního 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, s. 21.
8
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

Braytonův oběh (Jouleho oběh)

Soustrojí se spalovací komorou, turbokompresorem a turbínou – spalovací turbína

Původním myšlenkou George Braytona1. 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. turbokompresor1. a turbína, proto se také takovému soustrojí dnes říká spalovací turbína1.. Existují i verze soustrojí s vnějším přestupem tepla, kde místo spalovací komory je výměník tepla, ve kterém se ohřívá pracovní plyn, Obrázek 624.

Schéma zařízení Braytonova oběhu
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 (turbína); ch. chladič; SK spalovací komora s přívodem paliva.
B. oběh je složen ze čtyř termodynamických změn

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.

Komprese v kompresoru 1-2

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.

Ohřev ve spalovací komoře 2-3

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.

Expanze v turbíně 3-4

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.

Ochlazení 4-1 v atmosféře, nebo chladiči

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.

9
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Braytonův oběh v T-s diagramu ideálního plynu
58 Braytonův oběh v T-s diagramu ideálního plynu
Oběh na tomto obrázku 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.
Rovnice energetické bilance Braytonova oběhu
59 Rovnice energetické 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 systémům. Rovnice Braytonova oběhu jsou odvozeny při zanedbání změny potenciální energie v Příloze 59, s. 13.
Proudový motor

Spalovací turbíny mají široké uplatnění v letectví, kde jsou pohonou jednotkou v proudových motorech i v energetice, o čemž pojednává kapitola Úvod do spalovacích turbín23..

625 Úloha
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, s. 22.

Chladící oběh

Oběh, který práci spotřebovává a mění stav pracovní látky

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 čerpadla8. a pod.). Především v technice tepelných čerpadel je rozšířený chladící oběh s kompresorem [3, s. 170], [5], Obrázek 628.

10
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Schéma zařízení chladícího oběhu a jeho T-s diagram
628 Schéma zařízení chladícího oběhu a jeho T-s diagram
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 lišit (i schéma zařízení oběhu), ale základní princip zůstává stejný.
Oběh s kompresorem je složen se čtyř termodynamických změn

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.

Komprese v kompresoru 1-2

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.

Kondenzace v kondenzátoru 2-3

2/4. Pára o vysokém tlaku p2 je ochlazována v kondenzátoru, tak aby dosáhla stavu syté kapaliny.

Škrcení 3-4

3/4. Na výstupu z kondenzátoru je pracovní tekutina odvedena přes speciální škrtící37. ventil do výparníku – během škrcení dojde k takovému snížení tlaku, že část tekutiny se odpaří už při škrcení.

Odpar 4-1

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.

Užití chladícího oběhu

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.

Výpočet chladícího oběhu

Tento oběh práci nekoná, ale spotřebovává, jak plyne z Rovnic 629 popisující energetickou bilanci chladícího oběhu.

Rovnice energetické bilance chladícího oběhu
629 Rovnice energetické bilance chladícího oběhu
εR [-] chladící faktor (slouží jako ukazatel efektivnosti chladícího oběhu, čím je vyšší, tím je práce efektivněji využita k převodu tepla z jedné teplotní hladiny na vyšší). Rovnice chladícího oběhu jsou odvozeny bez započítání vlivu gravitace v Příloze 629, s. 23.
11
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

Carnotizace porovnávacího tepelného oběhu – zvyšování tepelné účinnosti

Optimalizovat tepelný oběh lze změnou jeho parametrů i způsobem realizace

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.

Klíčové jsou střední teploty přívodu a odvodu tepla z oběhu a nikoliv jeho nejnižší a nejvyšší teplota

Podstatou, v této kapitole popsané metody zvyšování tepelné účinnosti, je znalost Carnotova oběhu43., který dosahuje maximální tepelné účinosti, jaká je fyzikálně možná pro danou střední teplotu přívodu i odvodu tepla oběhu definované v podkapitole Účinnost transformace energie43.. 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 oběhu25.. Tento proces se nazývá Carnotizace.

Příklad určení střední teploty přívodu a odvodu tepla oběhu na parním oběhu
125 Příklad určení střední teploty přívodu a odvodu tepla oběhu na parním oběhu
τ‾ [-] teplotní poměr středních teplot; T‾T, T‾S [K] střední teplota přívodu, respektive odvodu tepla oběhu. Střední teplota přívodu tepla do oběhu je 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.

Tepelné stroje a podobné pojmy

Termín

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 energie43. a tlakové energie43. neboli entalpie pracovní látky na práci či naopak.

Tepelná elektrárna a její účinnost

Definice, typy tepelných elektráren

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 elektrárna8., jaderná elektrárna; solární elektrárna2.... Tepelné elektrárny se budují v blízkosti zdroje paliva nebo z důvodů jiných provozních výhod – v blízkosti zdroje vody (řeka, nádrž), vedení VVN apod.

12
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

geotermální elektrárna8., jaderná elektrárna; solární elektrárna2.... 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

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.

Účinnost tepelné elektrárny
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.

Teplárna – kombinovaná výroba tepla a elektřiny

Synonyma KVET i kogenerace

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.

Kde a proč stavět

Výkon teplárny s parní turbínou (viz podkapitola Schéma zařízení teplárny25.) 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.

Teplárnu, nebo elektrárnu?

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.

Účinnost výroby elektřiny versus účinnost teplárny

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. 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.

13
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Teplárenský modul

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 oběhem23. od 0,6 do 0,8 – teplárenské moduly dalších technologií jsou uvedny v kapitole Kombinovaná výroba elektřiny a tepla v domácnostech10..

Účinnost teplárny a její teplárenský modul
479 Účinnost teplárny a její 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).
Rozdělení podle typu oběhu

V České republice jsou běžné teplárny s parními turbínami, teplárny s paroplynovým oběhem23. (společné využití parního a Braytonova oběhu) a teplárny se spalovacími motory (viz Obrázek 208 a 209).

Schéma zařízení kogenerační jednotky se spalovacím motorem
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 čerpadlem11.; 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
Kogenerační jednotka se spalovacím motorem o výkonu 20 kW
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]. Malé kogenerační jednotky se dodávají v kompaktním provedení (v kontejneru, ), ale u větších výkonů je nutná stavba speciální strojovny a infrastruktury.

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.
[8] RAŽNJEVIĆ, Kuzman. Termodynamické tabuľky, 1984. 1. vyd. Bratislava: Alfa, 2 sv. Edícia energetickej literatúry (Alfa).
[9] ŠIFNER, Oldřich, KLOFMAR, Jaroslav. Mezinárodní standardy termofyzikálních vlastností vody a vodní páry. Zkrácené parní tabulky do 1000 °C a 1000 MPa, 1996. Vydání 1. Praha: Academia, ISBN 80-200-0596-X.
15
6. Tepelné oběhy a jejich realizace

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Tepelné oběhy a jejich realizace, Transformační technologie, 2006-11, [last updated 2020-11-05]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z https://www.transformacni-technologie.cz/06.html. English version: Heat cycles and their realizations. Web: https://www.transformacni-technologie.cz/en_06.html.
16