Strona główna » energia elektryczna » Od czego zależy sprawność silnika?

Od czego zależy sprawność silnika?

Archiwum

Sprawność każdego silnika cieplnego, rozwijając tytuł. Dla niektórych czytelników część tych rzeczy będzie trywialna, ale mam ambicję na tyle dobrze wytłumaczyć temat, że dla nauczycieli też może się niniejszy tekst stać brykiem. Taki jestem ambitny, jak pójdzie — czytelnicy ocenią. I proszę o ocenę, bo naprawdę nie wiem do jakiego poziomu łopatologii powinna dojść książka (która idzie do przodu i ma się dobrze).

Zaczynając od samego początku….

*********UWAGA OPIS WZORÓW ***********

Teoria mówi, że sprawność silnika cieplnego oblicza się odejmując od temperatury górnego źródła ciepła temperaturę dolnego źródła ciepła i dzieląc to przez tą samą temperaturę górnego źródła. Wszystko musi być podane w jednostkach temperatury zaczynających się od zera bezwzględnego, czyli w Kelvinach, albo w tej drugiej skali w stopniach Gdańszczanina z gorączka.

*** KONIEC STRASZNYCH WZORÓW***

Chodzi o to, że praca mechaniczna, którą można wyciągnąć z silnika cieplnego jest tym większa, im większa jest różnica temperatur oraz im bliżej jest miejscu gdzie odprowadzamy ciepło do zera bezwzględnego (-273,15 C). To są ograniczenia samej fizyki. I według takiego wzoru działałby silnik idealny. Idealnych urządzeń mechanicznych nie ma i nigdy nie będzie (w epoce obłędnego rozwoju techniki rzadko można użyć słowa „nigdy”- to jest jedno z tych miejsc).  Zawsze będzie wewnątrz silnika jakieś tarcie, jakieś dodatkowe urządzenia niezbędne do działania, które zużywają energię. W najbardziej znanym silniku samochodowym, w benzynowym, potrzeba energii na iskrę zapłonu, w dieslu co najmniej na sprężenienie paliwa w pompie. Oprócz tego tłoki poruszając się góra — dół, także musza tą swoją energię kinetyczną wyhamować i znów się rozpędzić. Oraz jakiś układ chłodzenia silnika, podawania paliwa, itp. To wszystko zużywa energię. Można ją minimalizować, ale wyeliminować się nie da. Na przykład — paliwo w silniku diesla musi być sprężone. Im bardziej je sprężymy, tym więcej energii na to potrzeba, ale z drugiej strony spalanie będzie lepsze, czyli więcej energii da się uzyskać z paliwa. Można co najwyżej powalczyć o to, aby pompa nie miała zbyt dużej nadwyżki przepustowości, ale wtedy będzie brakować paliwa w momencie większej potrzeby mocy. Za to nadwyżka paliwa trafia z powrotem do zbiornika paliwa, a energia wcześniej zużyta na sprężanie jest zmarnowana.  Co prawda akurat pompa paliwa nie ma zbyt dużego udziału w oparach pasożytniczych, ale jest jednym z elementów, za to w miarę łatwym do wytłumaczenia. Właściwie wszystko inne co jest w komorze silnika samochodu, a nie jest komorą spalania, jest takim urządzeniem pasożytniczym.

Już wiadomo,  że ideałów nie ma.

Ale przynajmniej można określić drogę do ideału

Przyjmijmy, że cały ten pasożytniczy bałagan zużyje 20% energii. To jest 20% względem idealnego cyklu cieplnego. A przecież możemy te idealne wyliczenia poprawić. W tym celu należy albo podwyższyć w naszym wzorze temperaturę górnego źródła ciepła albo obniżyć dolnego. Albo obie te operacje wykonać naraz, oczywiście.

Nadal pojęcia dolnego i górnego źródła ciepła brzmią dość abstrakcyjnie. Najłatwiej je wytłumaczyć na przykładzie. Jakoś zagotowaliśmy wodę, jak, nie ma teraz znaczenia. Ale nie może ona tak łatwo parować i się chłodzić. Jest zamknięta. Dostarczamy coraz więcej energii, woda jest coraz cieplejsza, a właściwie mieszanina wody z parą, następnie sama para. Para ma 400 stopni Celsjusza i pozwalamy jej się rozprężyć przez małą rurkę wychodzącą z kotła gdzie ją podgrzewaliśmy. A za tą małą rurką jest turbina. Kolejne łopatki, które siła tej pary porusza. Cóż — ta siłą pary istnieje, w miarę wiadomo to intuicyjnie. Im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie. Właściwie wie to każdy, kto zostawił gotujący się czajnik z gwizdkiem i zatkał ten gwizdek. Kawałek mógł przelecieć. Oczywiście w tym czasie wykonał pracę. Jakąś. I właśnie na to pytanie jaką pracę wykonał, odpowiada nasz wzór, temperatura na wejściu minus temperatura na wyjściu, podzielona przez temperaturę na wyjściu. A jaka jest właściwie temperatura na wyjściu? Ma być jak najniższa. Jak, że temperatura i ciśnienie są wzajemnie ze sobą powiązane, z parą wodną można to rozegrać bardzo prosto. Schładzamy tą parę. Tak jak możemy, wtedy się kondensuje, czyli gigantycznie zmniejsza swoja objętość. W ten sposób powstaje podciśnienie, a prawie próżnia, która ciągnie w swoją stronę łopatki naszej turbiny. Z jednej strony ciśnienie turbinę pcha, tym wyższe im wyższa temperatura pary (górne źródła ciepła w naszym wzorze), z drogiej podciśnienie ciągnie, tym niższe, im bardziej tą parę schłodzimy i będziemy ją kondensować w niższej temperaturze, a to jest dolne źródło ciepła, czyli chłodnica.

Czyli dla wykonania większej pracy zwiększamy temperaturę na wejściu, czyli grzejemy wodę bardziej, zanim zacznie wykonywać prace. Ale do tego potrzebujemy po pierwsze wyższej temperatury źródła dostarczanego ciepła, co nie jest problemem, bo spalanie to temperatury około 2000 C, a wrząca woda to max 600 C. Albo potrzebujemy niższej temperatury tzw. dolnego źródła, czyli temperatury w której powyższa para się zmienia z powrotem w wodę. Dobrze kombinując ta temperatura może wynosić  nawet około 20 C. Takie zestawienie daje nam jakieś dane do obliczeń. Temperatura górnego źródła ciepła to temperatura pary (500 C) a dolnego to temperatura skraplania w wieży chłodniczej (20 C).

Razem 773- 293/773 = 0,62. To jest teoretycznie osiągalna sprawność przy maksymalnej możliwej temperaturze chłodzenia, doskonałej temperaturze górnego źródła i braku jakichkolwiek strat po drodze. Ta sprawność jest w praktyce niemożliwa, ale przynajmniej pokazuje, jaki jest ten fizyczny limit.

Inna sprawa, że osiągnięcie temperatury wody 500 C jest niemałym osiągnięciem. A od bardziej intuicyjnej strony — podgrzewając wodę, zwiększa się ciśnienie, potem ją skraplając, to ciśnienie spada.

Piękno nauki polega na tym, że nasz wzór pasuje do każdego silnika

Tylko nie zawsze jest to tak wyraźnie widać. W turbinie gazowej (czyli też silniku samolotu) rozpręża się nie para, ale bezpośrednio spaliny. To oznacza, że tą wyższą temperaturą w naszym wzorze jest temperatura jaka panuje we wnętrzu takiego silnika, a tą niższą jest temperatura jaką spaliny mają po rozprężeniu. Trzeba w tym miejscu przypomnieć następne proste prawo fizyki — gaz rozprężając się obniża temperaturę. Swoją, a zaraz potem wszystkiego dookoła.  Własnie w taki sposób ciepło jest związane z pracą. Ale także ze stopniem w jakim się para lub spaliny rozprężą.

I tak dochodzimy do zwykłego silnika tłokowego. W opisach konstrukcji silników jest podany stopień sprężania, ale poza zupełnie wyjątkowymi konstrukcjami, tłok pracuje na takim samym odcinku w obie strony. Czyli po wybuchu, spaliny rozprężają się dokładnie tak samo jak była wcześniej sprężona mieszanka paliwo-powietrzna, albo sprężone samo powietrze (to w dieslach).  Stąd podany w opisie silnika stopień sprężania, jest przy okazji wskaźnikiem jego sprawności w idealnym cyklu cieplnym. Znaczy, im bardziej spręży, tym bardziej po wybuchu rozpręży, a jak bedzie bardziej rozprężone, to wykonało większą pracę i spaliny są chłodniejsze. Czyli różnica pomiędzy górnym a dolnym źródłem ciepła jest większa.

I w tym momencie czas wyjaśnić bardzo mylące określenie. Dolne źródło ciepła, czyli tam, gdzie niezużyta część jest odprowadzana i dzięki czemu istnieje różnica temperatur do pracy silnika, nazywa się chłodnicą. To tak , gdyby ktoś szukał chłodnicy w Maluchu czy Garbusie, to w rozumieniu fizyki da się znaleźć.  A w takim razie jaka tam jest temperatura? Otóż najprościej — temperatura spalania węglowodorów płynnych w powietrzu to około 2100 C. Temperatura spalin przy stopniu sprężania nowoczesnych silników (ok 8,5-11:1) może wynosić zaledwie 600- 700 C. Przy dieslach i stopniu sprężania rzędu 20:1 to jest około 400 C, przy podobnej temperaturze spalania. Mam nadzieję, że już każdy widzi skąd się bierze wyższa sprawność diesla?

Przy silniku benzynowym podstawowy problem polega na tym, że w pewnym momencie sprężania temperatura rośnie na tyle, że jeszcze przed zapłonem paliwo potrafi wybuchnąć, co się nazywa spalaniem stukowym i bardzo szybko i sprawnie niszczy silnik. A podwyższanie liczby oktanowej benzyny służy do opóźnienia takiego wybuchu i dzięki temu silniki mogą być sprawniejsze.

Wracając na chwilę do turbin gazowych, tam spalanie może odbywać się z tymi samymi temperaturami co w silniku tłokowym, ale odbywa się w znacznie niższej, max 1500 C w najnowszych konstrukcjach. Dlaczego? Otóż dlatego, że jak na razie ludzkość nie dysponuje materiałami, które potrafią przy stałej pracy wytrzymać wyższe temperatury. Więc w turbinie gazowej jest po prostu nadmiar powietrza, które ją chłodzi do wymaganej, która zazwyczaj jest znacznie niższa niż te wskazane 1500 C.

Z tego krótkiego przeglądu narzucają się metody prawdziwego zwiększenia ekonomi działania silnika

Zła wiadomość — nie ma supertajnych wynalazków z laboratoriów szalonych naukowców, które zostały ukryte i zapomniane przez spisek koncernów paliwowych. Następna zła wiadomość — w silnikach samochodowych, które oprócz sprawności muszą jeszcze być małe i elastyczne, naprawdę niewiele się da zrobić. Można nieco kombinować ze zmniejszaniem różnych oporów pasożytniczych, można podwyższać stopnień sprężania, a dzięki zmiennym fazom rozrządu i elektronice samochód jest bardziej uniwersalny, bo pojedzie także na mniej oktanowym paliwie. Ostatecznym rozwiązaniem z dostępnych na dziś jest podwyższenie stopnia sprężania jeszcze wyżej, dostosowanie do paliwa o liczbie oktanowej 108, które nie jest tak problematyczne. Znaczy benzyna 108 oktanów jest problemem , ale taką właśnie liczbę oktanową ma etanol, paliwo na którym jeździ pół Brazylii i które dziś i tak jest w każdej benzynie. A zmienne fazy rozrządu, itp bardzo się przydadzą, gdy jednak trzeba będzie użyć gorszego paliwa, czyli benzyny.

Dobra wiadomość za to jest taka, że jeśli mamy na myśli stacjonarną generację prądu, to można naprawdę mocno powalczyć o wydajność. Po pierwsze, spaliny czy to z silnika tłokowego, czy z turbiny gazowej są jeszcze na tyle gorące, że da się  wytworzyć parę, którą rozprężamy. Zasadniczo na turbinie parowej, ale niewiele stoi na przeszkodzie, aby to była maszyna parowa. Ot, tyle, że temperatury w których jeszcze mogą pracować smary, są znacznie niższe niż te, które mogą wytrzymać rury kotła i łopaty turbiny parowej. Choć z drugiej strony istnieje prototyp i chyba też początek produkcji maszyny parowej z cylindrami i tłokami ceramicznymi, nie wymagającymi smarowania. Tu wracamy do wytrzymałości kotła, czyli limit sprawności jest taki sam jak turbiny parowej.

A druga stroną jest podwyższanie temperatury spalania. Też można. Należy zwiększyć zawartość tlenu w dopływającym powietrzu, albo po prostu spalać w czystym tlenie. Temperatura płomienia wzroście, czyli górne źródło ciepłą w naszym równaniu, do okolic 2900 C przy czystym tlenie i zwykłych paliwach.

Przy takim układzie czyli zasilania paliwem i czystym tlenem, oraz wykorzystaniu energii spalin w obiegu parowym sprawność teoretyczna sięgałaby 90%. Oczywiście w realnym silniku mówimy raczej o 65-70%, co jest nadal wynikiem z gatunku science ficton, przynajmniej porównując to do 46-48% najlepszych dzisiejszych generatorów diesla i 25-35% dla silników samochodowych. Zaczynając od kwestii obiegu parowego — albo musi to być duży silnik dla zapewnienia wystarczającej ilości ciepła dla turbiny parowej, albo używamy maszynę parową, która jeszcze nie bardzo istnieje na rynku.  A następnie zasilamy silnik czystym tlenem zamiast powietrzem i przy próbie uruchomienia każdego dziś istniejącego silnika w taki sposób, następuje RUD. Rapid Unsheduled Desintegration. Nieplanowana Szybka Dezintegracja. NSD, też ładny skrót.

Czyli pole do ulepszeń istnieje. Ale taka optymalizacja silnika jest możliwa głównie przy stacjonarnych. Instalacje do wzbogacania powietrza w tlen istnieją i mają się dobrze, ale trudno by je było zmieścić pod maską samochodu, przy stacjonarnych nie ma tego problemu. Maszyna parowa nie jest duża i to akurat spokojnie da się zmieścić w układzie wydechowym, ale powstaje problem przeniesienia tej mocy. Pożyjemy zobaczymy, BMW kiedyś odgrażało się, że w 2015 r. pokażą samochód z odzyskiem energii ze spalin za pomocą maszyny parowej.  Obecnie sprawa ucichła, mamy rok 2015, czekamy na konkrety.

Z powyższego zestawienia dość dokładnie widać, że potencjalnie największą wydajność energetyczną może mieć absolutnie prosty zestaw silnika tłokowego oraz maszyny parowej.  Co ważne — ten zestaw może być zbudowany na dowolnie małą skalę (ok, od kilku kilowatów w górę, ale w skali energetyki to jest nic), czyli idealnie nadaje się do rozproszonej produkcji prądu, obniżając koszty przesyłu i dystrybucji. Skadinąd też paliwa gazowe do silników mają zdecydowanie mniejszą chęć do spalania stukowego. Czy to jest gaz ziemny, czy biogaz, czy gaz ze zgazowywania paliw stałych, wszystkie mogą  być spalane w silnikach o dużym stopniu sprężania,  czyli też dużej sprawności. A spaliny są relatywnie chłodne, więc można to załatwić klasyczną maszyną parową. A do kondensacji pary z maszyny parowej całkiem dobrze się nadaje instalacja centralnego ogrzewania, co jest właściwie idealne- mamy jak kondensować parę i jeszcze z odpadu powstaje ciepło o wartości użytkowej. Ale przy instalacji grzewczej, im bliżej jesteśmy odbiorcy ciepłą, tym niższej temperatury potrzebujemy (bo straty na przesyle są niemałe). I w taki sposób okazuje się, że generacja prądu na małą skalę może być wydajniejsza od wielkich scentralizowanych elektrowni. Ale do tego potrzeba dobrych regulacji prawnych.

Advertisements

4 komentarze

  1. Kahzad pisze:

    Warto jeszcze wytłumaczyć czym jest liczba oktanowa/cetanowa, tak aby czytelnicy nie musieli sprawdzać dlaczego etanol ma 108 oktanów 🙂

  2. Zgadzam się z tym rozumowaniem i zachęcam Ośrodki Badawczo Rozwojowe do wykonania prototypu Silnika Cieplnego Gazowo-Parowego (SCGP) , który jest hybrydą silnika spalinowego z silnikiem parowym. Cilnik SCGP łączy niejako ogień z wodą, które to połączenie powszechnie uważa się za niemożliwe. Uważam że wtrysk wody od strony komory spalania po ściankach tej komory, nie zakłóci nadmiernie równoczesnego spalania paliwa w centralnej obiętości komory spalania. Warto wykonać taki eksperyment. Pozdrawiam mgr inż. mechanik Bogumił Staroszczyk.

  3. Tak, tylko mówimy o dodatkowych suwach pracy, czyli nowym rozrządzie oraz wyraźnei większym stresie termicznym cylindrów i tłoków. To w praktyce oznacza nei zadną przeróbke, a kompeltnie nowe silniki, czego koszty opracowania idą w mialiardy. Jak ma sobie z tym poradzić jakiś osrodek badawczo rozwojowy? Dobrze finansowana politechnika w rejonie rozwiniętego przemysło mechanicznego i owszem, ale takiego cuda w Poslce jak na razie nie ma. A na później to perspektyw produkcji milionów nowych silników spalinowych to rozsądnie rzecz biorąc- nie ma.

  4. robert f pisze:

    schłodzenie spalin i ogrzanie płynu do napedzenia turbiny to dobry pomysł, zasadniczo silnik spalinowy moze zostać niezmieniony jesli uzyskanana w turbinie energie uzyjemy do napędzania pradnicy,, w ten sposób majac dodatkowy prad mozemy go uzyc do woli – wystarczy jakiś przejsciowy akumulator aby uzycie to było płynne i w pelni regulowalne, mozna napędzac tym dodatkowe silniki elektryczne mozna doładować silnik napedzajac elektrycznie sprężarkę – Sam zastanawiałem sie kiedys nad tym czy np zamiast kombinowania z parametrami turbiny i sprezarki w klasycznym układzie, nie byłoby sensownie zamiast spreżarki dorzucic pradnicę małego przejsciowego akumulatora i spreżarki zasilanej silnikiem elektrycznym, która zapewniałaby w prosty sposób dokładną regulacje ciśnienia na cylindrach bez tzw turbo dziury już od małych obrotów, Zwiekszenie sprawności mozna osiagnac jeszcze dodatkowo poprzez uzycie jako płynu nośnika nie bedacego wodą o nizszej temperaturze wrzenia – nawet zwykły metanol, przy okazji układ nie bedzie wrazliwy na zamarzanie, a przy podobnej temperaturze mozna osiągnąc większe cisnienie jesli temperatura wrzenia substancji jest niższa, układ ogrzewania płynu i sama turbina powinna być w jednej termicznie izolowanej przestrzeni szkoda tracic ciepło które wytwarzane jest w trakcie pracy turbiny, wylot turbiny do komory rozprężania i skraplania tez najlepiej termicznie izolowanej z odprowadzeniem płynu do zbiornika grzewczego – zasadniczo układem grzewczym moze byc rura w rurze – gdzie wydech w srodku a na zewnątrz płyn (mozna zwiekszyc poziom oddawanego ciepła poprzez rozgałezienie wydechu na kilka cieńszych przewodów), komora skraplania moze zawierać układ chłodniczy, którego elementy wytwarzające ciepło w następnej komorze podgrzewają wstepnie zebrany płyn,który wraca do komory grzewczej, dysza z komory grzewczej umiejscowiona tam gdzie nieschłodzone spaliny mają najwyższa temperaturę, a skroplony płyn wprowadzany do komory tam gdzie spaliny sa najchłodniejsze – ruch płynu w stronę goretszych częsci grzewczych będzie samoistny wynikajacy z wylotu pary z jednej strony i powrotu cieczy z drugiej. .Zdolny mechanik dokonałby pewnie podobnej uproszczonej modyfikacji w domowym garazu uzywając turbiny samochodowej – po odcieciu sprezarki załozeniu redukcji obrotów i połaczeniu z pradnicą,a reszta instalacji to kwestia na poziomie trudnosci instalacji CO – oczywiście w warunkach warsztatowych trudnoby zrealizowac projekt o bardzo wysokiej sprawnosci wysoka sprawnośc oznaczałaby olbrzymie cisnienia w układzie a co za tym idzie uzycie drogich i ciezkich materiałów i przede wszystkim bardzo wysokiej jakosci łączeń.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: