Cicluri termodinamice de baza (1)

1. Cicluri termodinamice de baza(1) Abstract:Acest capitol da o privire de ansamblu asupra ciclurilor termodinamice de baza si pilelor de combustie. Parametri de operare, randamentul si domeniul de puteri sunt conturate pentru fiecare ciclu, prezentandu-se avantajele si dezavantajele lor. Sunt mentionate modurile de imbunatatire a performantelor,

2. 1. Ciclul Carnot: 1-2 – proces izoterm; 2-3 – proces izentrop; 3-4 – proces izoterm; 4-1 – proces izentrop. In procesul de incalzire lichidul din starea 1 este adus in starea de vapori saturati 2. Vaporii se extind izentropic la starea 3 si condenseaza cu cedarea de caldura dealungul liniei 3-4. In starea 4 incepe compresia izentropica si fluidul este readus la starea 1. Temperatura minima intr-un proces real depinde de temperatura de racire si de caracteristicile transferului de caldura la condensare (un proces natural de racire cu temperatura mediul ambiant este ). Diferenta de temperatura din condensator poate sa varieze de la in cazul unui condensator racit cu apa si pentru unul racit cu aer. Folosind apa ca fluid de lucru rezulta o temperatura de condensare de la o presiune de condensare de

3. Temperatura maxima are constrangeri termodinamice ca: temperatra si presiunea critica. Temperatura cea mai mare a aburului in regiunea umeda este temperatura critica de . Astfel, randamentul instalatiei Carnot cu presiunea de fierbere de este intre depinzand de temperatura maxima. 2. Ciclul Rankine: - dificultatile practice la compresia vaporilor umezi in ciclul Carnot (debit volumic mare, mediu neomogen) - unde fluidul de lucru este condensat complect (linia 5-1) si adus la presiunea de fierbere de o pompa de alimentare cu apa (linia 1-2). Lucrul mecanic efectuat de pompa asupra fluidului de lucru este mult mai mic decat in cazul compresorului: la presiune mica creste la din lucrul mecanic total al ciclului si este adesea neglijata. - supraincalzirea poate fi introdusa in ciclu pentru a ridica temperatura maxima a ciclului, astfel imbunatatind randamentul ciclului (linia 4-5)

4. - o imbunatatire se poate face prin adaugarea unei zone de reancalzire unde aburul se destinde la o presiune intermediara (linia 5-a), si astfel este trecut din nou in fierbator pentru a atinge temperatura initiala (linia a-b). Aceasta aranjare acopera o arie si mai mare in diagrama T-s, insemnand un lucru mecanic de pompare mai mare. Randamentul ideal pe care instalatia cu ciclu Rankine cu reincalzire il poate atinge este de - ciclul castiga de asemeni in performanta cand apa de alimentare pentru fierbere este preancalzita de aburul extras din turbina cu aburi (linia c-d). Temperatura medie a surplusului de caldura primit este mai mare decat la ciclul Rankine conventional si de aceea eficienta este marita - temperatura gazului care curge in firbatorul cu aburi se propie de in timp ce cea a aburului este de . Schimbul de caldura ireversibil cauzat de aceasta diferenta mare de temperatura indica o imperfectiune a acestui ciclu. Instalatiile moderne supercritice Rankine cu reancalzire si regenerare care lucreaza la temperaturi de si presiuni de au o eficienta de

5. 3. Ciclul Kalina: - folosirea ciclului Rankine in aplicatiile de baza are un dezavantaj important datorita temperaturi constante din vaporizator -s-a propus un amestec de fluide pentru a substitui aburul din ciclul Rankine, ca de exemplu in ciclul Kalina, unde ca fluid de lucru este folosit un amestec de fluide de compozitie diferita pentru a da o diferenta mai buna intre temperaturile curgerilor calde si reci. - compozitia fluidului este schimbata dealungul ciclului in puncte diferite. In cele mai multe studii ale cicluri Kalina s-au folosit amestecuri de apa si amoniac. Amoniacul in amestecuri incepe sa se evapore primul, si cu cat se evapora, concentratia scade si astfel temperatura de fierbere a amestecului creste - diagrama a utilizarii caldurii in ciclul a) Rankine in functie de ciclul b) Kalina arata clar avantajele celuidin urma

6. Un ciclu de baza Kalina consta intr-un generator de vapori recuperator de caldura (HRVG), o turbina de abur cu amoniac si sub-sistemul de distilare si condensare (DCSS). In DCSS aburul din turbina este racit in recuperator si apoi amestecat cu o solutie saraca in amoniac pentru a ridica temperatura de condensare. Solutia de baza astfel rezultata este condensata in absorbitor si adusa la recuperator cu presiune. O parte din curgere este trimisa pentru a dilua aburul de amoniac bogat venit de la separator. Vaporii sunt amestecati cu solutia de baza, condensati si presurizati inainte de intrarea in generatorul de vaporii.

7. 4. Ciclul Joule-Brayton: - ciclul Joule sau Brayton este un ciclu cu gaz de putere: comprimare izentropica a fluidului de lucru la presiunea maxima de functionare (1-2), incalzirea la presiune constanta dealungul liniei 2-3, dilatarea izentropica la presiunea initiala (3-4) si racirea la presiune constanta (4-1). Ciclul Joule este realizat intr-o instalatie de turbina cu gaz, unde combustibilul este ars direct in fluidul de lucru, care elimina aria transferului de caldura. Caldura pierduta este eliminata in atmosfera care face ca racitorul sa nu fie necesar. Ambii factori fac instalatia de turbina cu gaz compacta si mai ieftina decat o instalatie cu aburi la aceeasi putere de iesire.

8. - cu toate ca gazele de ardere au la iesire o temperatura de pana la si reprezinta pierderi de energie apreciabile, turbinele moderne cu gaz ofera randament mare (pana la ) si o putere considerabila la iesire (pana la ). - alte modificari ale ciclului includ reancalzirea, racire intermediarasi recuperarea. Lucrul mecanic de dilatare poate sa creasca prin reancalzire (b); asta face posibila furnizarea unui randament de incarcare maxim intr-o zona de incarcare mai mare prin varierea reancalzirii curgerii. Datorita mariri lucrului mecanic specific la iesire datorat reancalzirii, instalatia devine compacta. O alta tehnica pentru a creste lucrul mecanic la iesire este racirea intermediara, care diminueaza lucrul mecanic consumat de compresor (c). Aerul de la iesirea din compresor devine mai cald si daca se aplica o racire a aerului se permit astfel temperaturi la intrarea in turbina mai mari.

9. 5. Ciclurile Otto sau Diesel: - la ciclurile Otto si Diesel lucrul mecanic este obtinut intr-un proces fara curgere a) ciclul Otto (ciclul cu combustie prin scanteie) consta intr-o comprimare izentropica, incalzire la volum constant, dilatare izentropica a gazului incalzit pentru a produce lucru mecanic si racire la volum constant in atmosfera b) ciclul Diesel cu combustie prin comprimare seamana cu ciclul Otto dar incalzirea se face aici la o presiune constanta (2-3). Deoarece ambele motaore functioneaza cu pistoane cu miscare alternativa, astfel cilindrul este expus la temperatura mare pentru o scurta perioada de timp in timpul ciclului, temperatura maxima permisa in ciclu poate sa fie de Motoarele au mai de graba un randament mare si dau randament bun in conditii de incarcari partiale.

10. - principalul dezavantaj al motaorelor cu miscare alternativa a pistoanelor este puterea redusa, ceea ce face ca echipamentele sa fie voluminoase si grele cand puterea produsa se doreste a fi mare.