Opracował: dr inż. Jerzy Kuś
Teoria maszyn cieplnych
07. Gazowe obiegi silnikowe
– streszczenie
Obieg podczas którego wytwarzana jest praca (netto) nazywany jest obiegiem silnikowym, a
obieg silnikowy podczas którego czynnik roboczy pozostaje w fazie gazowej nazywamy jest
gazowym obiegiem silnikowym.
Obiegiem realizowanym pomiędzy zbiornikiem energii o temperaturze T
W
, a magazynem
energii o temperaturze T
N
o największe sprawności termicznej jest obieg Carnot’a, a jego
sprawność termiczną określa zależność
W
N
C
t
Carnota
t
T
T
-
=
=
1
,
,
h
h
Rzeczywiste obiegi gazowe są dość złożone. Przybliżenia stosowane w celu uproszenia
ich analizy znane są jako założenia o standardowym (porównawczym) obiegu powietrznym.
Przy tych założeniach wszystkie procesy traktowane są jak wewnętrznie odwracalne; czynnik
roboczy traktowany jest jak powietrze, które zachowuje się jak gaz doskonały; procesy
spalania i usuwania spalin są zastąpione, odpowiednio, przez procesy przy których ciepło jest
dostarczane i wyprowadzane. Założenia o obiegu porównawczym i powietrzu nazywane są
założeniami o standardowym (porównawczym) obiegu z zimnym powietrzem, gdy dodatkowo
przyjmujemy, że powietrze ma stałe właściwe pojemności cieplne o wartościach określonych
przy temperaturze pokojowej.
Obiegiem idealnym dla współczesnych silników z turbiną gazową jest obieg Braytona,
który zbudowany jest z czterech wewnętrznie odwracalnych procesów: izentropowej
kompresji, dostarczania ciepła przy stałym ciśnieniu, izentropowej ekspansji, oddawaniu
ciepła przy stałym ciśnieniu.
Jeżeli przyjmiemy, że czynnikiem roboczym w obiegu Braytona jest powietrze
(standardowy obieg powietrzny Braytona), to jego sprawność termiczna jest równa
k
k
p
brayton
t
r
/
)
1
(
,
1
1
-
-
=
h
gdzie r
p
= p
max
/p
min
jest stopniem sprężania, a k jest wykładnikiem izentropy (k = c
p
/c
v
).
Odchylenie rzeczywistych sprężarek i turbin od ich izentropowych modeli może być
dokładnie obliczone przez wykorzystanie ich izentropowych sprawności, zdefiniowanych
jako
1
2
1
2
i
i
i
i
l
l
rz
s
rz
s
S
-
-
=
=
h
s
rz
s
rz
T
i
i
i
i
l
l
4
3
4
3
-
-
@
=
h
gdzie stany 1 i 3 są stanami na wlocie, 2rz i 4rz są rzeczywistymi stanami na wylocie, a 2s i
4s są izentropowymi stanami na wylocie.
W silnikach z turbiną gazową, temperatura gazów opuszczających turbinę jest znacznie
wyższa od temperatury powietrza opuszczającego sprężarkę. Dlatego też, powietrze o
wysokim cienieniu opuszczające sprężarkę może być ogrzane ciepłem pobieranym z gorących
gazów wylotowych z turbiny w przeciwprądowym wymienniku ciepła, nazywanym także
regeneratorem.
Dla określenia stopnia zbliżenia się regeneratorów rzeczywistych do regeneratora idealne-
go zdefiniowano efektywność regeneracji jako
