Termodinamikai körfolyamat
A termodinamikai ciklus vagy termodinamikai körfolyamat egy sor termodinamikai állapotváltozás, melyek során a rendszer visszatér kezdeti állapotába. Az állapotjelzők csak a rendszer termodinamikai állapotától függenek, és így a ciklus végén kezdeti értéküket veszik ismét fel. A hő és a munka az állapotváltozások függvénye, értékük a ciklus alatt nullától különbözik. A termodinamika első főtétele kimondja, hogy a hőbevitel és az ennek rovására nyert mechanikai munka egymással egyenlő. (Illetve fordított működéskor a kinyert hő és az erre fordított mechanikai munka értéke egyenlő.) A ciklus periodikus természete lehetővé teszi a folyamatos működést, ezért a körfolyamat a termodinamika egyik fontos fogalma a hőerőgépek és hűtőgépek elméletének fontos eszköze. A körfolyamatok leírásánál gyakran használják a kvázistatikus folyamatok fogalmát, hogy modellezni lehessen a gyakorlatban előforduló gépeket.
A körfolyamat zárt görbét alkot a nyomás-térfogat (p-V) diagramban. A p-V diagramban az x tengelyre a V térfogatot, az y tengelyre a p nyomást visszük fel. A görbe által bezárt terület a körfolyamatból kinyerhető L mechanikai munkával egyenlő:
- .
Ez a munka egyenlő a rendszerbe bevezetett Qbe és elvont Qki hő Q különbségével:
- .
Ha a körfolyamat a zárt görbét az óramutató járása irányába járja körül, akkor hőerőgép működésének felel meg és az L munka pozitív. Ha az óramutató járásával ellenkező irányban haladnak az állapotváltozások, akkor hőszivattyú körfolyamatát kapjuk, és az L munka negatív.
A körfolyamatok fajtái energiaátalakítás szerint
szerkesztésA körfolyamatok két fő csoportra oszthatók: erőgép ciklusokra és a hőszivattyú ciklusokra. Az erőgép ciklusok hőenergiát alakítanak át mechanikai munkává, a hőszivattyú ciklusok pedig kis hőmérsékletű hőt emelnek fel magasabb hőmérsékletűre mechanikai munka bevezetése árán. A ciklus milyensége attól függ, hogy melyik irányban folyik a körfolyamat. A nyomás-térfogat diagramban vagy a hőmérséklet-entrópia diagramban ábrázolt állapotváltozásoknál az óramutató járásával azonos irányban folyó ciklusok erőgép ciklusok, az óramutató járásával ellenkező irányú körfolyamatok hőszivattyú ciklusok.
Hőerőgép ciklusok
szerkesztésA hőerőgép ciklusok a hőerőgépek működésének alapját képezik, ezek szolgáltatják a világon termelt villamosenergia nagy részét és igen sok közlekedési eszköz hajtását. A hőerőgép ciklusokat a modellezett hőerőgépek szerint lehet felosztani. A legismertebbek a belsőégésű motorok ciklusai: az Otto-körfolyamat, mely a benzinmotort és a Diesel-ciklus, mely a dízelmotort modellezi. A külső hőközlésű ciklusok a Brayton-ciklus, mely a gázturbinát modellezi és a Rankine-ciklus, mely a gőzgépet és gőzturbinát modellezi. A hőerőművek leggyakoribb körfolyamata a Rankine-Clausius ciklus. A gőzkörfolyamatok pillanatnyilag legjobb elért hatásfoka 50-55%.
A hőerőgép ciklusaokban a hőhasznosítás területén mélyebb hőmérsékletekre törekszenek, ami a hűtőgépeknél bevált közegek alkalmazását eredményezi. Ilyen pl. az ORC (szerves Rankine ciklus).
Például az ábrán látható négy állapotváltozásból álló körfolyamat által szolgáltatott mechanikai munka:
- pozitív, munkát szolgáltat
- zéró munka, ha
- negatív, külső munkát igényel
- zéró munka, ha
Ha a térfogat nem változik a 4→1 és 2→3 állapotváltozás során, akkor a (3) egyenlet így egyszerűsödik:
Hőszivattyú és hűtőgép ciklus
szerkesztésA hőszivattyú és hűtőgép ciklus a hőszivattyúk és hűtőgépek fizikai modellje. A kettő között a különbség az, hogy a hőszivattyú esetében egy helyiség melegen tartása, a hűtőgépnél pedig egy hely hidegen tartása a cél. A leggyakrabban használt elv a gőzkompressziós hűtőgép ciklus, melynél olyan hűtőközeget használnak, mely a körfolyamat közben fázisváltást (halmazállapotváltozást) szenved. Az abszorpciós hűtőgép ciklusban a hűtőközeget elgőzölögtetés helyett folyadékban abszorbeálják. Ismert hűtőgép ciklusok: a fordított Brayton-ciklus és a Linde-Hampson körfolyamat. Ide tartozik a gázok cseppfolyósítása is.
A hőszivattyú, hőerőgép esetén a hőmérsékletek alacsonyabbak, különleges közegeket alkalmaznak.
A körfolyamatok fajtái állapotváltozások szerint
szerkesztésA termodinamikai körfolyamatok (ideális esetben) 3 vagy több (általában 4) állapotváltozásból állnak. Az állapotváltozások a következők lehetnek:
- izoterm állapotváltozás (állandó hőmérsékleten, folyamatos hőfelvétel vagy leadás mellett)
- izobár állapotváltozás (állandó nyomáson)
- izochor állapotváltozás (állandó térfogaton)
- adiabatikus állapotváltozás (a munkaközeg nem vesz fel és nem is ad le a környezetéből hőt)
- izentropikus állapotváltozás, reverzibilis adiabatikus állapotváltozás (a munkaközeg nem vesz fel és nem is ad le a környezetéből hőt - és az entrópia állandó)
- izentalpikus állapotváltozás (az entalpia állandó)
Néhány példa a körfolyamatokra:
Körfolyamat | Kompresszió | Hőbevezetés | Expanzió | Hőelvonás |
---|---|---|---|---|
A hőerőgép ciklusok általában külső égéssel vagy hőszivattyú ciklusok | ||||
Ericsson (első, 1833) Brayton |
adiabatikus | izobár | adiabatikus | izobár |
Bell Coleman (Fordított Brayton) |
adiabatikus | izobár | adiabatikus | izobár |
Carnot | izentropikus | izoterm | izentropikus | izoterm |
Stoddard | adiabatikus | izochor | adiabatikus | izochor |
Stirling | izoterm | izochor | izoterm | izochor |
Ericsson (második, 1853) | izoterm | izobár | izoterm | izobár |
Belső égésű hőerőgép körfolyamatok | ||||
Otto (benzin) | adiabatikus | izochor | adiabatikus | izochor |
Diesel | adiabatikus | izobár | adiabatikus | izochor |
Brayton (sugárhajtás) | adiabatikus | izobár | adiabatikus | izobár |
Lenoir (pulzáló sugárhajtás) (a 4 állapotváltozásból 3 különböző) |
izobár | izochor | adiabatikus | izobár |
Források
szerkesztés- Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 4. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1962.
- Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. ISBN 963 10 4808 X
- Prof. Dr. Szabó Gábor - Péter Szabó István: Alkalmazott hőtan. Szeged, 2003. A Szegedi Tudományegyetem Szegedi Élelmiszeripari Főiskolai Kar távoktatási jegyzete
További információk
szerkesztésOktató szoftver: