ENERGIE, TEPLO A TEPELNÉ STROJE ÒEnergie - z řeckého energia: aktivita, činnost. ÒVe strojírenské praxi se projevuje jako dominantní energie mechanická. ÒČasto dochází k přeměně energie (mechanická energie na teplo a opačně). ÒPráce a teplo jsou tedy fyzikální veličiny, udávané v jednotkách joule (J). ÒV energetických soustavách dochází k výrazným teplotním Òzměnám, doprovázejícím mechanickou energii. Změna termodynamických potenciálů je vyjádřena změnou entalpie a vnitřní energie systémů. Ò Ò Ò Ò ÒEntalpie (H) vyjadřuje tepelnou energii uloženou v termodynamickém systému. ÒU termodynamických soustav platí, že tpak v soustavě je roven tlaku atmosferickému patm. Tyto děje se považují za izobarické (p=konst. a dp=0). ÒV základním přiblížení se uvažuje systém, který po dodání tepla koná objemovou vratnou práci: Ò dU = dQ – pdV Òpro (p=konst) lze zavést Ò pojem entalpie (H) Ò H = U +pV Ò Ò Ò Ò Ò ÒU systémů s různými termodynamickými potenciály dochází ke sdílení tepla tj. nevratnému procesu, který je doprovázen nárůstem entropie. Ò ÒEntropie (S) vyjadřuje kvantitativní míru samovolnosti a nevratnosti termodynamických dějů. Entropie udává míru „neuspořádanosti soustavy“. ÒV izolovaných soustavách jsou děje vratné pokud ΔScelk=0. ÒSamovolné nevratné děje v soustavě proběhnou pouze pokud jsou doprovázeny růstem celkové entropie ΔScelk>0. Ò Ò Ò Ò ÒZákony, kterými se řídí přeměny energie se významné odvětví fyziky - termodynamika. ÒTermodynamika definuje 4 základní principy na kterých je její fenomenologická (popisná) část postavena. ÒZákony termodynymiky: Ò ÒNultý zákon (věta) termodynamiky se týká termické rovnováhy a říká: ÒJsou-li tělesa A a B v tepelné rovnováze s tělesem C, jsou v rovnováze i mezi sebou. ÒTA = TC a TB = TC pak TA = TB Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò1. zákon (věta) termodynamiky je zákonem o zachování energie a říká: ÒEnergie v izolované soustavě nemůže samovolně vznikat ani zanikat. Druh energie se ale může měnit z jedné formy na druhou (např. mechanická energie se může měnit na teplo apod.) ÒS 1. ZT je svázána vnitřní energie, entalpie, tepelná kapacita. Ò Ò2. zákon (věta) termodynamiky navazuje na 1.ZT a doplňuje vztah mezi teplem a prací a definuje pojem entropie. Říká, že teplo a práce nejsou zcela zaměnitelné druhy energie. Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò ÒTeplo – práce. Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò2. ZT bývá též formulován tak, že není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by jen přijímal teplo a vykonával stejně velikou práci. Ò Ò Ò Ò Ò Ò ÒÚčinnost tepelného stroje: skenovat0011.jpg skenovat0010.jpg skenovat0012.jpg Ò3. zákon (věta) termodynamiky - popisuje chování látek v blízkosti absolutní nulové teploty. Při teplotě T=0 ustává pohyb elementárních částic, v ideálním krystalu jsou všechny částice usazeny v uzlových bodech, látka má nulovou entropii. Ò ÒV technických zařízeních při energetických přeměnách existují ještě další omezení, která musíme respektovat. Jedním z nich je též zákon omezení hustoty toku energie. Každé technické zařízení má určitou mez, danou jeho rozměry a odolností materiálů vůči teplotě, otáčkám a elektrickému proudu, kterou nemůže překročit. Ò Ò Ò Ò Ò ÒZákladní principy sdílení tepla jsou: Ò- kondukce (vedení tepla) – součinitel tepelné vodivosti, Ò- konvekce (proudění, přestup) – šíření tepla v kapal. a plynech, Ò- sálání nebo radiace (záření). ÒKombinaci těchto procesů označujeme pojmem prostup tepla. Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò ÒTepelné stroje: Ò- Motory (parní stroje, spalovací motory, parní turbíny apod.) Ò- Chladící stroje (tepelná čerpadla) Ò ÒMotory jsou zařízení, ve kterých dochází k přeměně tepla dodávaného ze zásobníku s vyšší teplotou na práci za vzniku tepla, které se odvádí do zásobníku s nižší teplotou (chladiče). ÒChladící stroje jsou taková zařízení, ve kterých se spotřebovává přivedená mechanická práce na přenos tepla ze zásobníku s nižší teplotou do zásobníku s vyšší teplotou. ÒPracovní cyklus tepelného motoru i chladícího stroje se zapisuje do p-V diagramu. Ò ÒPracovní cyklus tepelného stroje se nazývá tepelný oběh nebo cyklus (nejznámější je Carnotův cyklus). Je to série postupných změn pracovní látky, které začínají a končí ve stejném stavu. ÒCarnotův cyklus je postupně vytvářen izotermickou expanzí, adiabatickou expanzí, izotermickou kompresí a adiabatickou kompresí. Ò ÒIzoterma – křivka závislosti objemu na tlaku při stálé teplotě. ÒAdiabata - křivka závislosti objemu na tlaku (nedochází k výměně tepla s okolím) ÒIdeální tepelný stroj (motor): ÒIdeální tepelný stroj (chladící stroj): Ò ÒSchémata toků tepla a práce v pracovních cyklech: Ò ÒPočátky vývoje parního stroje spadají do konce 17 stol., kdy Thomas Savery a Thomas Newcomen poprvé představili stroj poháněný párou. Významné zdokonalení přišlo v 18 stol. s J.Wattem – dvojčinný parní stroj s regulátorem otáček. Ò Ò Nízká účinnost 5-15%. Ò Ò Parní automobil, lokomotiva Ò Parník. Ò Ò Òhttp://www.parnistroj.czweb.org/schema.html Ò ÒPístové spalovací motory tvoří podstatnou část všech tepelných motorů, tedy strojů, ve kterých se mění tepelná energie na mechanickou práci. Jsou to stroje, pracující v otevřeném cyklu a tepelná energie, určená k přeměně na energii mechanickou, se získává chemickou cestou, spalováním hořlavé směsi paliva se vzduchem uvnitř motoru. Ò ÒPočátky pístových tepelných motorů spadají do přelomu 17. a 18. století. Skutečný provozuschopný pístový spalovací motor (svítiplyn - zapálení směsi ve válci plamenem v polovině sacího zdvihu) postavil v r. 1860 Lenoir. Ò Ò Ò ÒPodle provozních parametrů se PSM dělí na: Ò- zážehové - vznětové, dvoudobé - čtyřdobé, Ò- jednoválcové, víceválcové; řadové, vidlicové, hvězdicové, s válci do H, X, W apod., stojaté, ležaté, šikmé, invertní; vzduchem-kapalinou chlazené; Ò- obsahu náplně válce (s přirozeným nasáváním, tj. nepřeplňované - přeplňované); Ò- benzinové, naftové, plynové, (příp. na alternativní paliva, kupř. alkoholy (líh), metylester řepkového oleje, směsná paliva a pod.), různopalivové ( např. benzín + plyn), Ò- vozidlové, traktorové, lodní, letecké, železniční, průmyslové apod. Ò Ò ÒČtyřdobý spalovací pístový motor: Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò ÒÚčinnost spalovacího motoru okolo 25% (35% s turbokompresorem) Ò4-dobý pracovní cyklus PSM: Ò1) Sání – Píst se pohybuje dolů a sacím ventilem se do válce nasává palivová směs. Ò2) Komprese (stlačování) – Píst se pohybuje nahoru dochází k stlačování směsi (ventily jsou uzavřené). V optimálním okamžiku (píst blíží k horní poloze) dojde k zapálení směsi. Ò3) Expanze – hoření směsi (ventily jsou uzavřené). Plyn se rozpíná a tlačí píst dolů Ò4) Výfuk – Píst jde nahoru,výfukový ventil se otevře, sací zůstává uzavřen. Spálené plyny jsou pohybem pístu vytlačeny výfukovým ventilem z válce. Ò2-dobý pracovní cyklus PSM: 1) Sání + komprese, 2) expanze + výfuk Ò ÒZážehový 4-dobý (pracovní cyklus 1x za 2 otáčky) a 2-dobý PSM (pracovní cyklus proběhne za jednu otáčku klikové hřídele) ÒZákladní konstrukci PSM tvoří: ÒDíly válce Zážehový motor: Ò- válec Ò- hlava válce s ventily Ò- píst s těsnicími kroužky ÒDíly klikového mechanizmu Ò- píst s čepem Ò- ojnice Ò- klikový hřídel ÒParní turbína pracuje na principu přeměny tepelné energie páry na mechanickou energii (rotační pohyb). ÒParní moderní turbínu objevena v 1884 (Charles Parsons). Ò Ò Ò Ò Ò Ò Ò ÒParní turbína je využívána v energetice pro pohon alternátorů (v elektrárnách – tepelná, jaderná). ÒSchéma uhelné elektrárny s parní turbinou (Schwarze Pumpe). ÒLiteratura: Ò[1] Ptáček a kol. Nauka o materiálu I a II. CERM, 2003, 520+396 s. Òhttp://www.kvm.tul.cz/studenti/texty/uvod_do_strojirenstvi/kap6.pdf Òhttp://www.parnistroj.czweb.org/schema.html Òhttp://www.jawa-50.cz/clanek/teorie-princip-dvoudobeho-dvoutaktniho-spalovaciho-motoru.html Òhttp://www.doosan.com/skodapower/cz/services/powergeneration/equipment/turbines/products/index.pag e Òhttp://www.ekolbrno.cz/parni-turbiny.html Ò Ò Ò Ò Ò Ò