Tepelné stroje a motory

Spracoval: Samoľ Ján

Skupina: 2 P

Dátum: 1.12.2004

Tepelné motory sú stroje, ktoré premieňajú časť vnútornej energie paliva uvoľneného horením na mechanickú energiu.

Rozdeľujeme ich na parné motory ( parný stroj, parná turbína )

a spaľovacie motory ( plynová turbína, zážihový motor, vznetový motor, prúdový a raketový motor ).

V parných motoroch je pacovnou látkou vodná para, ktorá sa získava v parnom kotly mimo motora.

V spaľovacích motoroch je pracovnou látkou plyn vznikajúci horením paliva vnútri motora.

TEPELNÉ OBEHY V  PARNÝCH STROJOCH

1.PARNÝ STROJ

Zostrojil ho v roku 1784 škótsky mechanik James Watt.

V parnom kotly sa z chemicky upravenej vody vyrába vlhká para s tlakom p1, ktorá sa rozpínaním v parnom valci, tlačí na piest a výfukom sa vedie do chladiča. Ten ju ochladí, zmenší jej objem a kompresor vlhkej pary ju privádza znovu do kotla s tlakom p1. Zvýšenie účinnosti cyklu sa dosahuje prehrievaním pary a jej zrážaním v kondenzátore. Expanzia prehriatej pary je dlhá, preto sa necháva para expandovať v niekoľkých valcoch za sebou.

1. PARNÁ TURBÍNA

V parných turbínach sa tepelná a tlaková energia pary mení v rozpínajúcej sa pare na pohybovú energiu. Rozpínajúca sa a prúdiaca para je usmernená na lopatky obežného kola, tie menia smer jej prúdenia a para na ne pôsobí silou. Expandovaná para za turbínou sa zráža v kondenzátore, čerpadlo zvýši tlak kondenzátu na tlak v kotly a kondenzát sa pritom eventuálne ohrieva parou odobranou medzi jednotlivými stupňami turbíny.

SPAĽOVACIE MOTORY - rozdelenie

1. ZÁŽIHOVÝ MOTOR

Pri izochorickom procese sa dodá do valca teplo zhorením zmesi, potom sa spaliny adiabaticky rozpínajú až po izochorické odvádzanie tepla, po ktorom nasleduje kompresia. Účinnosť procesu sa zväčšuje so zvyšovaním kompresného pomeru – pomeru tlaku na začiatku a konci kompresie. Kompresný pomer nemožno neobmedzene zvyšovať, pretože vysoké tlaky na konci by zaťažovali silovo klikov0ý mechanizmus a pri vysokej kompresii je teplota tak vysoká, že

môžu vznikať samozápaly.

2. VZNETOVÉ MOTORY

Vznetové motory nasávajú čistý vzduch a behom izobarickej expanzie sa vstrekuje do valca palivo, ktoré sa zapáli od stlačeného teplého vzduchu. Účinnosť tepelného procesu sa zvyšuje zvyšovaním kompresného pomeru a zmenšovaním diaľky vstrekovania paliva.

3. PLYNOVÉ TURBÍNY

Vzduch sa do plynovej turbíny nasáva kompresorom a v ňom sa adiabaticky stlačuje. Do stlačeného vzduchu sa v spaľovacej komore vstrekuje palivo, ktoré izobaricky zhorí, a potom adiabaticky expanduje v turbíne. Expanziou sa jeho tlaková energia mení na pohybovú, usmernené spaliny narážajú na lopatky obežného kola turbíny, ktorá poháňa kompresor.

V stacionárnych zariadeniach sa snažíme odstrániť nevýhodu, ktorá je v tom, že lopatky turbíny sa zanášajú prachom, uhlíkom…Preto sa používajú stacionárne turbíny s uzavreným obehom, v ktorom je uzavretý obeh plynu. Plyn sa ohrieva po kompresii v ohrievači, ale ne- prichádza do styku s palivom a spalinami

Spaľovacie motory

Spaľovacie motory všeobecne

Spaľovacie motory možno definovať ako tepelné hnacie stroje, v ktorých sa tepelná energia mení priamo na energiu mechanickú. Od iných energetických tepelných strojov sa odlišujú tým, že jedine v nich sú hnacím médiom priamo splodiny spaľovania. Tieto horúce splodiny, ktoré majú tlak vyšší ako atmosferický, môžeme zužitkovať buď staticky – pôsobením na piest motora, alebo dynamicky – rýchlosťou na obežné koleso turbíny. Podľa toho rozdeľujeme spaľovacie motory na :

-lopatkové

-piestové

-kombinované

Príkladom lopatkového motoru je spaľovacia turbína. Je to motor s priamym pôsobením rozpínajúcich sa plynov na lopatky obežného kolesa, ktoré roztáča. Palivo môže byť spaľované priamo v turbíne, alebo aj mimo nej. Kombinácia obidvoch spôsobov sa dnes označuje ako „TURBO“. Za piestovým motorom býva zaradená turbína, roztáčaná jeho výfukovými plynmi. Turbína poháňa plniace dúchadlo, ktoré dodáva motoru vzduch so zvýšeným tlakom, čo zvyšuje jeho účinnosť. Ďalej sa budeme zaoberať piestovými motormi. Ich hlavnou prednosťou je, že sa u nich dosahuje najdokonalejšieho využitia paliva zo všetkých tepelných motorov, avšak paliva, pomerne drahého, čo túto výhodu čiastočne hospodársky paralyzuje. Zvlášť dôležité je, že sa vysokej tepelnej účinnosti a teda aj malej spotreby paliva dosiahne aj pri motoroch malých výkonov a rozmerov.

Účinnosť ako ju poznáme z fyziky

Účinnosťou sa rozumie pomer výkonu odvedeného k výkonu privedenému. Ak má napríklad ozubené súkolesie účinnosť η = 97 % = 0,97 , tak to znamená, že 3 % energie prenášanej súkolesím sa stráca v zuboch trením, čiže sa premieňa na neužitočné teplo. V každom motore sú straty vplyvom trenia v ložiskách a zuboch kolies. Vyjadrujeme ich účinnosťou:

výkon na kolesách

η = ----------------------------

užitočný výkon motora

Podľa tejto rovnice je účinnosť vždy menšia ako 1, pretože menovateľ zlomku je vždy väčší ako čitateľ. Tepelná účinnosť motora je vyjadrená pomerom:

teplo premenené na mechanickú prácu

ηt = ----------------------------------------------

teplo privedené v zápalnej zmesi

ηt závisí od kompresného tlaku, stupňa plnenia a spôsobu práce motoru. Je jedným z hlavných ukazateľov pri hodnotení pracovného obehu tepelného motoru.

Spôsob práce motorov

Najznámejším rozdelením piestových motorov je rozdelenie na:

-vznetové -štvordobé

-zážihové -dvojdobé

-štvordobé -s posuvným piestom

-s krúživým piestom (Wankel)

V praxi sú za najúčinnejšie pokladané vznetové motory. Najmenej účinné sú motory dvojdobé, pretože tu dochádza k nedokonalému plneniu a vyprázdňovaniu pracovného priestoru, čo sa negatívne odrazí na kvalite spaľovanej zmesi. Navyše je do benzínu nutné pridávať olej na mazanie klzných častí a ložísk, ktorý zvyšuje dymivosť dvojdobých motorov. Progresívnym riešením je ešte aj dnes motor s krúživým piestom, nazvaný podľa jeho objaviteľa Felixa Wankela – Wankelov motor. Účinnosť je tu zvýšená použitím len minimálneho počtu rotujúcich súčiastok a absenciou súčiastok vykonávajúcich posuvný vratný pohyb. Princíp Wankelovho motora

Všetky štyri doby, ako ich poznáme z klasického motoru, prebiehajú za jednu otáčku krúživého piestu, ktorý má tvar trojbokého sférického hranola (prierez približne sférického trojuholníka). Krúživý trojboký piest a hriadeľ s výstredníkom sa otáčajú okolo svojich osí, ale súčasne piest krúži v skrini po obežnej dráhe danej dráhou stredu excentra hriadeľa. Skriňa má vnútri valcovú plochu tvaru epitrochoidy. Piest je neustále pritláčaný svojimi bokmi k stenám skrine. Utesnenie krúživého piestu je vyriešené kovovými tesniacimi lištami. Namiesto piestnych krúžkov má krúživý piest zaoblené lišty. Olej mažúci prevod zároveň chladí vnútorné steny piestu, kam sa privádza dutým hriadeľom. Motor musí mať chladič oleja. Ventily odpadajú. Ostatné časti, ako napríklad karburátor, sú zhodné s bežnými zažihovými motormi. Účinnosť bežného komerčného spaľovacieho motora nepresiahne 40%. Spaľovací motor je napríklad oproti 99,9%-nému transformátoru veľmi „neohrabaným“ strojom. V bežnom živote sa so spaľovacími motormi stretávame veľmi často aj napriek ich malej účinnosti, pretože účinnejšie pohony sú zatiaľ z ekonomických a technických dôvodov len v rovine testovacej. V rovnako veľkej miere sa budeme stretávať so spaľovacími motormi pravdepodobne až do vyčerpania svetových zásob ropy a zemného plynu a tak je dobré vedieť, čo všetko vplýva na ich účinnosť a teda na ich efektívne využitie. V ďalších statiach rozdelíme spaľovacie motory podľa spôsobu ich práce do hlavných skupín a bližšie popíšeme.

Benzínový štvordobý motor

Pracuje v 4 fázach: 1. nasávanie 2. stláčanie (kompresia) 3. výbuch(explózia) 4.výfuk. Zmes paliva so vzduchom sa vo valci zapáli vplyvom elektrickej iskry zapaľovacej sviečky. Zápalná zmes sa vytvára v splyňovači (karburátore), ktorý riadi samočinne jej zloženie, odtiaľ sa dostáva hotová do valca.

Pulzačný motor

Pulzačný motor je druh reaktívnej pohonnej jednotky s prerušovaným spaľovaním. Prelozene do ľudskej reči, v spaľovacej komore plameň nehorí neustále, ale v rýchle za Šebov idúcich explóziách.

Predná časť s kanálmi je difúzor. Odtiaľ motor nasáva potrebný vzduch a tu dochádza k jeho zmiešavaniu s palivom. (U niektorých konštrukcii s nútenou dodávkou paliva sa tak deje až v spaľovacej komore.) Za difúzorom je prepažka s ventilmi, v tomto prípade planžetovymi. Keď motor nasáva zmes sú vďaka podtlaku v komore otvorene. Len čo v spaľovacej komore je vytvorená výbušná zmes a dôjde k jej zapáleniu, vzniknutý pretlak tieto ventily okamžité zavrie a spaliny môžu uniknúť len výtokovou toryskou von. Tak vznikne pulzy reaktívny ťah. V komore sa súčasné znova vytvorí podtlak, ventily sa otvoria a cely cyklus sa opakuje. Jednoduché a účinné.

Povodne pulzačne motory používali dva ventilové systémy - jeden vpredu a druhy vzadu. Tým sa docielil vyšší tlak v komore, ale motor je komplikovanejší a prírastok na účinnosti nie je zas až tak veľký.

Konštrukcia pulzačnych motorov je v podstate dosť jednoduchá. Neobsahuje žiadne rotujúce časti, čo je veľká výhoda. Odlišnosti sú hlavne v systémoch dodavky paliva a prevedení ventilov. V súčasnosti sa používajú prevažné systémy s nútenou dodávkou paliva kvôli lepšej regulovateľnosti a planžetove ventily. Je ale cela rada konštrukcii založených na strhávaní paliva vzduchom (ako na schéme) a niektoré motory využívajú Ine ventilové systémy (napr. guličkove podobne ako u priemyselných kompresorov atd.). V podstate však vždy ide o rúru zo žiarupevného materiálu, ktorá je aspoň na jednom konci opatrená ventilmi.

Planžetove ventily spravidla majú obmedzovací otvor. V modelárskom motore o obsahu cca.500 CC dosahuje rýchlosť nasávaného vzduchu hodnoty Radove 100 aj viac metrov za sekundu a tlak na ventil by bol tak veľký, že by sa pravdepodobne ulomil. Zase ak by bol ventil hrubší, nahadzovanie motora by mohlo byt problematické. Obmedzovací silne ovplyvňuje nielen rozsah otvorenia ventilu, ale aj pracovňu frekvenciu motora.

Dĺžka výtokovej rúry (užšej časti) zase vplýva na stabilitu chodu. Platí pravidlo, čím dlhšia výtoková rúra, tým stabilnejší chod a samozrejme aj nižší ťah, takže je treba hľadať kompromis. Spravidla sa výtok dimenzuje tak, aby sa objem spaľovacej komory rovnal alebo bol mierne menší ako objem výtokovej rúry, existuje však rad výnimiek. Taktiež sa experimentuje s tvarom výtokového potrubia - od jednoduchého valca po krivky tretieho radu. Tvarom výtoku sa totiž dá výrazné ovplyvniť tlakový spad spalín a tým jeho využitie pre celkový ťah.

Ak je niečo jednoduché a výkonné, určíte sa toho rýchle zmocnia vojaci. Ani pulzačny motor nebol výnimkou. Pravdepodobne najznámejšou aplikáciou pulzačneho motora boli notoricky známe V1, ktoré svojim hlbokým bzukotom strašili obyvateľov Londýna koncom vojny.

Dosahovali rýchlosť cez 700 km/h a mali dosť veľký dolet. Našťastie pre Londýnčanov, rozptyl bol väčší ako 20 km.

PRÚDOVÉ STROJE/MOTORY:

Prúdové stroje sa rozdeľujú podľa týchto hlavných hľadísk:

• Stroje ktoré pracujú s kvapalinami sa nazývajú hydraulické stroje. Stroje ktoré pracujú so vzduchom, spalinami, plynmi sa nazývajú tepelné.

• Jedna skupina prúdových strojov transformuje mechanickú energiu privedenú na hriadeľ a zvyšuje tlak a teplotu plynu alebo tlakovú výšku kvapaliny. Sem patria ventilátory, kompresory a čerpadlá. Druhá skupina prúdových strojov transformuje energiu pracovnej tekutiny (znižuje tlak a teplotu plynu alebo tlakovú výšku kvapaliny) na mechanickú energiu. Sem sa zaraďujú plynové a parné turbíny a hydraulické turbíny.

• Podľa smeru prúdenia pracovnej tekutiny vzhľadom na os stroja, sa rozdeľujú na axiálne, diagonálne a radiálne.

• Podľa konštrukcie možno prúdové stroje definovať ako otvorené a uzatvorené. Otvorené prúdové stroje, ako sú letecké vrtule, veterné kolesá a turbíny, ventilátory, pracujú s priamo nemerateľným množstvom tekutiny. Na rozdiel od týchto strojov sú tzv. "uzatvorené" prúdové stroje charakteristické tým, že cez ich teleso pretečené množstvo pracovnej tekutiny za jednotku času je presne známe. V obidvoch prípadoch tok tekutiny je symetrický vzhľadom na os stroja. V strojoch s parciálnym ostrekom sa privádza tekutina do rotora lokálne, čiže nie rovnomerne po celom obvode rotora.

Na nasledovných obrázkoch je vidieť príklady konštrukcie moderných prúdových strojov použitých v leteckom motori.

Okrem rotorových lopatiek, ktoré vytvárajú vhodné zakrivené kanály pre transformáciu energie, sú potrebné kanály vytvorené z lopatiek, ktoré prúd usmerňujú do správneho smeru, aby rotor pracoval v optimálnych podmienkach. Vstup tekutiny do axiálneho prúdového stroja sa uskutočňuje cez vstupné hrdlo podľa konštrukcie napríklad radiálno-axiálne, alebo i čiste axiálne. Na výstupe sa kinetická energia pracovnej tekutiny ubrzdí v axiálnom difúzore.

V radiálnych dostredivých turbínach sa tekutina privádza cez špirálu, kde sa zrýchli a otočí čiastočne do radiálneho smeru. Cez dýzy vytvorené na obvode rotora sa tekutina ďalej zrýchli a kontrolovane otočí do vhodného smeru. V rotore sa tepelná energia premení na mechanickú prácu. Na výstupe sa prúdenie zbrzdí v difúzore. V radiálnom odstredivom kompresore sa tekutina privádza do rotora v axiálnom smere. V saní sa obyčajne prúdenie mierne zrýchli. V rotore sa transformuje mechanická práca na tepelnú a kinetickú energiu. Prúdenie sa otočí do radiálneho smeru. V statore, ktorý je vyhotovený ako radiálny difúzor sa prúdenie zbrzdí za súčasného zvýšenie tlaku. Pomocou špirálového difúzora sa tekutina ďalej ubrzdí a vyvedie zo stroja.

Diagonálne čerpadlo má konštruovaný vstup umožňujúci prívod dopravovanej kvapaliny v axiálnom smere. Spravidla sacie hrdlo pracuje ako dýza s mierným zrýchlením prúdu. V rotore sa kvapalina dopravuje v axiálnom a radiálnom smere súčasne, t. j. diagonálne. Statorové medzilopatkové kanály a difúzor zbrzďujú prúdenie za súčasného vytvorenia tlakovej výšky čerpadla.

POUŽITÉ ZDROJE:

http://www.cfd.sk/tps/node5.html

www.studenske.sk

www.auto.cz

www.referaty.atlas.sk

a další ..... www.google.sk –motory

-tepelné stroje, apod.

POUŽITÁ LITERATÚRA :

Ing. Róbert Binder, Csc. – Technická mechanika