asija píše:ja se hlavne divim ze ty turbiny nedosahuji ucinosti dieslu ani ty nejvetsi stacionarni kogenracni. To ze stejne ucinosti nedosahuje samotna parni turbina je asi pochopitelne uz kvuli rozdilu teplot - pripada mi ale ze parnimu stroji by se velka parni turbina v ucinosti vyrovnat mohla. Pak je ale divne proc kogeneracni turbina se nemue rovnat obycejnemu dieslu.
By me zajimalo jestli je nejake jednoduche kvalitativni/principielni vysvetleni proc tomu tak je. Napadaji me dve
1) urbiny pouzivaji jiny termodynamicky cyklus (Brayton cycle, ktery ma nizsi limitni ucinost?) i kdyz tim si nejsem uplne jisty zda nelze zkonstruovat turbinu s co nejvice karnotovym cyklem (kdyz sou ruzne tlakove stupne kondenzacni atd.... ).
2) ze tepelne namahani lopatek turbin limituje (ve spalovacich) vyuziti plneho potencialu rozdilu teplot dosazitelnych spalovanim paliva.
... nebo je to dano jen "urovni technologie" jako ze treba idealni hypoteticka dokonale promazana turbina s dokonalym tvarem, prubehem tlaku a aerodynamikou lopatek by dieslu vyrovnala?
Je třeba rozlišovat plynové turbíny a parní turbíny. Plynové jsou sice nadřazená kategorie, ale parních je tolik typů a jsou tak rozšířené, že je třeba je oddělovat. Nyní budu hodně zjednodušovat, zejména proto, že 2 předměty na VŠ neznamenají v této oblasti naprosto nic:-)
Obecně, nezávisle na pracovním cyklu tekutiny, lze nepřesně definovat termodynamickou účinnost tepelného stroje jako rozdíl teplot ohřívače a chladiče, to celé vyděleno teplotou ohřívače. A právě zde je zakopaný pes u parních turbín. Parní turbína není totiž poháněna přímo produkty spalování fosilních paliv, ale vodní párou, které tyto produkty spalování předají část své tepelné energie. U kotlů již zde dochází k velkým ztrátám, protože ohřev vody je z principu vnější a přenos tepla se provádí skrze stěnu s reálně omezenou tepelnou vodivostí za časovou jednotku. Tedy máme-li například benzín, ten má teplotu hoření např. 1800K, teplota vody v kotli je 550K, pak rozdíl teplot mezi 300K (teplota okolí) a 550K, tedy 250K a této teplotě ekvivalentní spalné teplo benzínu jde do lufutu, protože tohle teplo nelze již vodě v kotli předat.
kdo je pozorný, už tuší, že u jaderného reaktoru, kde je ohřívač v kotli, je tato tepelná ztráta reálně zanedbatelná. Tedy při dostatečně dlouhodobém ohřevu, kdy jsou ztráty odstavením a zbytečným ochlazením aktivní zóny již zcela rozprostřeny
Dalším faktorem je omezená tepelná vodivost materiálu oddělující spalný plyn od vody. Jde prostě o to, že s klesajícím rozdílem teplot mezi spalinami a vodou klesá rychlost přenosu tepla a roste důležitost výše uvedené fyzikální charakteristiky materiálů. V praxi je tak výstupní teplota spalin z kotlů mnohem vyšší než je teplota vody v kotli, obvykle přes 800K, takže reverzním dopočtem lze snadno spočítat, že do luftu pouštíme cca ((1-(1800-800)/1800)*100)[%], tedy 45% spalného tepla. Tedy již z principu od takové parní turbíny nelze čekat více než 55% účinnosti, relativně nic moc, že :-)
U instalací, kde je vyžadována vysoká hustota výkonu, typicky lodě, pak je účinnost ještě nižší, neboť jsou styčné plochy mezi spalinami a vodou malé (přenos tepla je funkcí nejen času, ale i plochy styku) a o nějakých vratných okruzích, jakož například o turbínové kaskádě (dvě a více turbín s různými pracovními tlaky a teplotami, jejichž okruhy jsou sériově řazeny do výměníků a tím maximalizován užitek ze spalného tepla) si mohou nechat zdát.
Turbíny pak mohou mít velmi vysoké účinnosti, ale nad 90% se dostanou pouze vodní (nebo obecně kapalinové). I ty nejlepší plynové (a zejména parní) se nedostanou nad 80%. ty parní dokonce jen stěží nad 45%. Důvody jsou opět komplikované, ale velmi obecně hlavním důvodem je hydrodynamika plynů, kdy lokálně dochází ke změnám skupenství na lopatkách turbín v souvislosti s tlakem a rychlostí proudění těchto tekutin. Důvod, proč plynové opět drtí parní je opět nasnadě, nejenže umožňují podstatně vyšší teploty plynů a tedy i vyšší tlaky, ale většina těchto spalin (například CO2 u fosilních) mají mnohem nižší teplotu varu než voda a výše zmíněné nahodilé lokální přechody mezi skupenstvími účinnost snižují významně méně.
Dalším aspektem jsou vlastní ztráty turbíny, kdy třecí síla s otáčkami roste a to (když tak opravte) s druhou mocninou obvodové rychlosti (případné úhlové). A zde je docela rozpor, pomaloběžné turbíny umožňují plynům být déle pod vlivy změn tlaků a proudících rychlostí, tedy klesá účinnost a rychloběžné mají zase sníženou účinnost třecími ztrátami (fluidní ložiska, jakož elektromagnetická jsou u velkých turbín zatím spíše sci-fi). Tedy vymodelovat vyváženou turbínu je kumšt a šije se "na triko", ostatně jako vše v téhle oblasti strojírenství
Nyní bych ještě připomněl, proč zrovna parní turbína je na tom s účinností tak mizerně. Tím důvodem je kritický bod vody. Ten je 647K při 22MPa tlaku. Za tímto teplotním bodem už neexistuje tlak, který by udržel vodu kapalnou. A proč že to vadí? Protože jakmile je z vody pára, prudce klesají 3 docela důležité parametry tepelná kapacita (nejmenší problém), klesá tepelná vodivost (efektivita přenosu tepla od spalin do vody) a hlavně skokem narůstá entropie (největší problém). Nárůst entropie je žádoucí v parogenerátoru (tvoří se snadno velký objem páry, pod velkým tlakem perfektní pro turbínu), ovšem v kotli je to doslova o život (hrozí exploze kotle). Proto se také v praxi neprovozuje stroj s teplotou vody blízké kritickému bodu, ale podstatně nižší (právě těch cca 550K).
No a zde se již dostáváme k poslednímu bodu celého tepelného stroje a tím je chladič. Je jasné, že nejmenší použitelná teplota pro chladič, je teplota prostředí. Obvykle to bývá kolem 293K (20 plusových celsiů:-) Samozřejmě na moři, které může mít i kolem 273K lze dosáhnout účinnosti trošku vyšší, ale když si uděláte výpočet (zjistíte, že těch 20 stupňů dá rozdíl v účinosti jen 4 procentní body). Praktická účinnost od kotle až po chladič je tak lehce pod 50% a k tomu přinásobte ztráty na kotli a dostaneme se na obvyklých 25%-35%, na které jsme zvyklí z Jaderných a Fosilních elektráren.
Nic moc, že
Jerseyho superdiesel to s přehledem trumfne ... a nebo že by ne?
Proč se tedy nepoužívají pomalobežné diesely, které mají účinnost 50% No protože takovou a vyšší účinnost mají i plynové turbíny na fosilní paliva, ovšem na rozdíl od pomaloběžných dieselů spalují i "dýchatelné" paliva. On ten pomaloběžný diesel totiž pro vysokou účinnost potřebuje, aby palivem byl mazut a to ještě ten nejodpadnější z odpadních. Mazut má totiž vysokou teplotu tání, varu a hlavně detonace. Přivést mazut k detonaci je prakticky nemožné, ten si jen tak líně hoří (a to méně výhřevně než benzín nebo nafta), takže v tom pomaloběžném pístu má čas hořet a tím mají i čas se výpary prohřát. Jen pro srovnání, hrubě teploty benzínu ve vašem spalovacím motoru jsou tuším kolem 850K, u naftového je to už kolem 1000K a u u výše zmíněných mazuťáků i 1300K, při téhle teplotě by jak benzín tak nafta již se přiváděným vzduchem detonovaly a píst s hlavou motoru během chvíle zničily. Potíž je, že jestliže produkty z benzínu jsou nedýchatelné, z nafty karciogenní, tak z mazutu jsou to regulérní prudké jedy. Jak uvedl Alchymista, poblíž pobřeží a v přístavech ty velké pomaloběžné diesely pálí mnohem "čistší" sajrajt (a mají také mnohem nižší efektivitu), protože by to jinak zabíjelo lidi :-)
Samozřejme přijde ještě jedna otázka. Proč, ale tedy ty pomaloběžné diesely neslouží bojovým lodím? No důvod je prostý, ten pomaloběžný diesel je sice efektivní, ale má mizerný měrný výkon, braný jako funkce hmotnosti a objemu motoru na poskytovaný výkon a zejména kroutící moment stojí ve srovnání s plynovými turbínami za starou bačkoru (hold pomalé otáčky neumožňují využít setrvačnost rotačních částí motoru).
Ovšem i to má své řešení. Zpřevodovat, připojit elektrický generátor a pohon lodi obstarat elektrickým motorem. Zde na této stránce naší milé wiki
http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_icebreakers
naleznete tak nějak seznam (opravdových, milý Jersey
ledoborců a všimněte si kolik z konvenčních má právě diesel elektrický pohon. tedy kombinaci obvykle středně rychlých (240-600ot./min.) nebo pomalootáčkových (60-180ot./min.) dieselů a elektrických generátorů a motorů.
Na konec výblitku bych dodal ještě proč vlastně používáme vodu do parních turbín, když zjevně není moc účinná. Odpověď je prostá, opět měrná hustota výkonu, respektive uloženého tepla. Voda má oproti ostatním myslitelným médiím (soli, eutetické slitiny apod) obrovskou tepelnou kapacitu. Celý stroj tak může být kompaktní, a že má menší účinnost není v mnohých aplikacích (na lodích mají zejména jaderné stroje s vodou jako médiem mimořádně mizernou účinnost, obvykle kolem 15%!) vylučující vada.
Tak doufám, že jsem to moc nepokonil. Nebojte se vymáchat palici v mazutu za chyby
)
.
(asi preklep v zdroji - je to strašne veľa)
. No a když se Destroy trochu zaposlouchá, uslyší i to turbo, které se u lodních dieselů prostě nepoužívá.