Motorer og turbiner

1. Motorer og turbiner Lektion 5 Motorer

2. Otto motorer • 4-takts motor Isentropisk kompression v=kst varmetilførsel Isentropisk ekspansion v=kst varmeafgivelse Air-standard assumption

3. Otto motorer

4. Otto motorer – 2 takt

5. Analyse af processen • Lukket kredsprocess/system • 1. hovedsætning • Varmeudvekslingen sker under konstant volumen  • Termisk virkningsgrad

6. Analyse af processen • Processerne fra 4 til 1 og fra 2 til 3 er isentropiske  al energien forbliver i systemet, og der eksisterer en sammenhæng mellem de to tilstande, givet ved integration af Gibbs ligning • Hermed fås den termiske virkningsgrad

7. k varmefyldeforhold k falder ved større molekyler Helium: k=1,6667 Luft: k=1,4 CO2: k=1,2 (data ved stuetemperatur) Otto processen Virkelig gas Air-standard Stigende molekylestørrelse

8. 1-2: isentropisk kompression (kun med luft) 2-3: isobar varmetilførsel (for Otto motor isochor) 3-4: isentropisk ekspansion 4-1: isochor varmeafgivelse Diesel motorer

9. Analyse af Diesel processen • Lukket kredsprocess/system • 1. hovedsætning, hvor varmetilførslen sker samtidig med ”boundary work” • Termisk virkningsgrad • Indførelse af ”cut-off ratio” (cylindervolumen før og efter forbrænding) rc

10. Ved samme trykforhold er Sammenligning af processer

11. Turboladning • Turboladning (eller supercharging-mekanisk drevet) anvendes til at presse mere luft ind i cylinderen • forøgelse af volumetrisk virkningsgrad • ”normal” motor suger luft ind vha stemplets sug • Dette giver en nedre begrænsning i trykforholdet over ventilen, der kan øges ved at tryksætte luften udenfor cylinderen • reduktion af brændstofforbrug • forøgelse af motoreffekt • Turbolag • En turbolader kræver et vist udstødningsgasflow for at komme op i omdrejninger • Hvis den er for stor, kommer effekten sent  turbolag • Hvis den er for lille, får motoren åndenød ved høje omdrejningstal • Løsninger • Sekventiel bi-turbo • Parallel bi-turbo • VGT – Variable Geometry Turbine

12. Turboladning

13. Specifikt brændstofforbrug

14. Specifikt brændstofforbrug

15. Specifikt brændstofforbrug vs effekt

16. Modellering p2 n,Q,p1 • Modellering giver en sammenhæng mellem driftskarakteristika, specifikke maskin-karakteristika og input-output • Kontinuerte og diskrete systemer • Kontinuerte systemer er sammenhængende • Egenskaber ændrer sig kontinuert over maskiner • Diskrete systemer er integer-baserede, fx antal personer • Energisystemer modelleres som kontinuerte processer (integer-baseret kommer ind senere, når systemerne skal optimeres) • Informationsflow er væsentligt  hvad er input, hvad er output • Forskel på knudepunktsværdier hen over maskiner

17. Eksempel – gasturbine system • Opgave: at opstille en model der giver en sammenhæng mellem brændstof-forbrug og power output • Nødvendig viden: • Performance data for kompressor • Performance data for turbine

18. Gasturbine system kompressor p2=f(w) Ec=f(p2) kurvefit Et=f(p3) turbine w=f(p3)

19. Gasturbine system Næste skridt  kurvefit af performance data og opstilling af ligningssystem I dette tilfælde 7 ubekendte: w, p, Ec, t2, Es, t3,Et 7 ligninger: 4 ligninger fra performance charts + 3 hjælpeligninger Kompressor – tilført effekt Brændkammer – tilført varme Turbine – samlet effekt

20. Løsning af ligningssystem • 2 metoder – • Simpel iterativ løsning • Newton-Raphson iteration • Matematisk rodsøgningsmetode • Indtil videre  simpel iteration • Kan dog give ufysiske løsninger • Afhænger af kvalitet af startgæt • Kan tage rigtig lang tid om at konvergere