V kontexte termodynamiky a inžinierstva chladenia je princíp obráteného Carnotovho obehu kľúčovým konceptom. Tento článok sa zameriava na podrobné vysvetlenie tohto princípu, jeho aplikácie v chladiacich zariadeniach a tepelných čerpadlách, a porovnanie s inými typmi obehov.
Úvod do obrátených obehov
V kapitole 4 boli definované obrátené obehy ako obehy, ktoré prečerpávajú pracovnú látku z prostredia s nižšou energetickou hladinou do prostredia s vyššou energetickou hladinou. V tomto všeobecnom ponímaní možno považovať za obrátený obeh napríklad aj obeh kompresora. Avšak, tento článok sa zameriava len na obrátené obehy, ktoré prečerpávajú teplo z prostredia s nižšou teplotou do prostredia s vyššou teplotou. Tieto procesy, v súlade s 2. termodynamickým zákonom, vyžadujú dodanie energie zvonku. Každý obrátený obeh na jednej strane, teplo z prostredia nižšej teploty odoberá, teda chladí, na druhej strane teplo do prostredia vyššej teploty dodáva, teda vykuruje. Podľa toho, ktorá funkcia obráteného obehu je pre nás podstatná, hovoríme alebo o chladiacich zariadeniach alebo o tepelných čerpadlách. Pracovná látka, s ktorou realizujeme obeh sa nazýva chladivo. Existuje niekoľko desiatok prakticky používaných chladív. Ich výber závisí od teplôt T1 (ochladzovaný priestor) a T2 (otepľovaný priestor), medzi ktorými má obeh pracovať. Líšia sa medzi sebou chemickým zložením a závislosťou teploty bodu varu od tlaku.
Carnotov obeh ako teoretický základ
Rovnako ako pri priamych obehoch, je Carnotov obeh teoreticky optimálny aj pre obrátené obehy medzi dvomi teplotami. Realizuje sa v oblasti pár chladiva. Diagramy pár rôznych chladív majú kvalitatívne podobné priebehy ako diagram vodnej pary, ktorý už poznáme. Carnotov obeh je zložený z dvoch izotermických a dvoch adiabatických zmien. Možno ho realizovať v oblasti mokrej pary (chladiva), kde izotermy sú totožné s izobarami (ako u vodnej pary). V T-s diagrame sú pre jednoduchosť zakreslené ideálne adiabatické zmeny.
Fázy Carnotovho obehu
- 1-2, Adiabatická kompresia: Z tlaku p1 na tlak p2. Súčasne sa zvýši teplota T1 na T2. Realizuje sa v dokonale tepelne izolovanom kompresore Km.
- 2-3, Izotermická kompresia: Pri teplote T2 (a tlaku p2). Je v oblasti mokrej pary kompresiou len v zmysle zmenšovania objemu, nie v zmysle zväčšovania tlaku. Fyzikálne predstavuje kondenzáciu sýtej pary na dolnú medznú krivku (bod varu pri danom tlaku). Realizuje sa odoberaním tepla q2 vo výmenníku, ktorý nazývame podľa procesu v ňom prebiehajúcom kondenzátor.
- 3-4, Adiabatická expanzia: Z tlaku p2 na tlak p1. Súčasne sa zníži teplota z T2 na T1. Realizuje sa v dokonale izolovanom expanznom stroji (turbíne).
- 4-1, Izotermická expanzia: Pri teplote T1 (a tlaku p1) analogicky ako pri zmene 2-3, je v oblasti mokrej pary expanziou len v zmysle zväčšovania objemu, nie v zmysle znižovania tlaku. Fyzikálne predstavuje vyparovanie mokrej pary pri teplote bodu varu pri danom tlaku na stav sýtej pary. Realizuje sa dodávkou tepla q1 vo výmenníku, ktorý podľa procesu v ňom prebiehajúcom nazývame výparník.
Obeh sa realizuje s vhodne zvolenou pracovnou látkou (chladivom), ktorá sa pri danej teplote T1 (obvykle zápornej v °C) a tlaku p1 dodávkou tepla odparuje a pri danej teplote T2 (kladnej, rádovo desiatky °C) a tlaku p2 odoberaním tepla kondenzuje. Danými teplotami T1 a T2 sú dané aj tlaky p1 a p2 (izotermy sú totožné s izobarami v oblasti mokrej pary - pozri diagramy na obr.8.1). V kapitole 4. sme definovali základné pojmy pre tepelné obehy. V diagrame T-s má Carnotov obeh s mokrou parou rovnaký geometrický tvar ako s ideálnym plynom. Sú totožné s rovnakými faktormi pre ideálny plyn (pozri vzťah (4-8) a (4-9)). Rovnaké sú aj zá Very z nich vyplývajúce.
Praktické obmedzenia Carnotovho obehu
Hoci je Carnotov obeh teoreticky najúčinnejší, má určité praktické obmedzenia:
Prečítajte si tiež: Jablkový koláč s makom
- Na vstupe do kompresora je mokrá para s pomerne vysokým obsahom kvapalnej časti chladiva, t.j. malou suchosťou, ktorá sa vysuší na hodnotu = 1 až pri kompresii.
- Súčasťou zariadenia je expanzný stroj, z ktorého získame kladnú prácu. Tento element celé zariadenie veľmi komplikuje.
Obrátený Rankinov obeh
Obrátený Rankinov obeh je teoretickým obehom kompresorových chladiacich zariadení a tepelných čerpadiel. Je to obeh, ktorého princíp možno využiť od najmenších po najväčšie výkony a chladiace teploty t1 až do -60°C. Obeh v p-v a T-s súradniciach je na obr.8.3. V chladiarenskej technike sa takmer výlučne používa p-i diagram, v ktorom sú zakreslené čiary s = const. V tomto súradnicovom systéme je obeh spolu s principiálnou blokovou schémou na obr.8.4.
Rozdiely medzi Carnotovým a Rankinovým obehom
Hlavným rozdielom je náhrada expanzného stroja redukčným ventilom RV.3-4 redukcia tlaku z p2 na p1 v redukčnom ventile RV. Znížením tlaku sa súčasne zníži teplota z T2 na T1 (ako pri expanzii v turbíne). Redukcia tlaku (škrtenie) prebieha pri i = const. Náhradou expanzného stroja redukčným ventilom sa líšia obrátený Rankinov obeh na obr.8.3, obr.8.4 od obehu Carnotovho, s ktorým sme sa zaoberali doteraz.
Aplikácie obráteného Rankinovho obehu
Chladiace zariadenia
Na obr.8.5. je schéma využitie obráteného Rankinovho obehu pre chladenie. Pre názornosť sú na obrázku uvedené ako príklad teploty, medzi ktorými obeh prebieha, t.j. t1 a t2. Nižšia teplota t1 (napr. -30°C) je daná požiadavkami na chladenie. Táto teplota je podstatne nižšia ako je teplota okolia t0 (napr. +20°C). V dôsledku rozdielu teplôt t1 a t2 vniká do chladeného priestoru teplo z okolia q1, ktoré vieme vypočítať zo zákona prenosu tepla. Teplo q1 je absorbované výparníkom, v ktorom prúdi chladivo pri veľmi nízkej teplote t1. Dodávkou tepla q1 pri tlaku p1 sa chladivo odparí. Teplo q1, ktoré vniklo do chladeného priestoru a je absorbované chladivom vo výparníku pri veľmi nízkej teplote t1, musíme z chladeného priestoru a z chladiva dostať von do okolia. Aby bol tento proces možný, musíme zvýšiť teplotu chladiva nad teplotu okolia. Zvýšenie teploty z t1 na t2 (a súčasne zvýšenie tlaku z p1 na p2) realizujeme kompresorom. Pri teplote t2 (napr. 40°C) vyššej ako je teplota okolia t0 prechádza teplo z chladiva do okolia. Treba mať na pamäti blokovú schému obráteného obehu a zákon zachovania energie, podľa ktorého q2 = a + q1, teda teplo na výstupe q2 je zväčšené oproti teplu na vstupe q1 o mechanickú prácu a dodanú v kompresore. V kondenzátore pri teplote t2 a tlaku p2 v dôsledku odoberania tepla q2 (chladenia) prebieha kondenzácia pri konštantnej teplote t2. Aby mohlo chladivo v nasledujúcej časti obehu odoberať teplo z chladeného priestoru pri nízkej teplote, treba znížiť jeho teplotu z t2 na t1. Uvedený príklad chladničky demonštruje ako obrátený obeh na jednej strane odoberá teplo q1, na druhej strane dodáva teplo q2. Teda každá chladnička súčasne chladí aj vykuruje. V prípade chladničky je podstatné (určujúce) pre výpočet teplo q1, ktoré musíme z chladeného priestoru odobrať.
Tepelné čerpadlá
Príklad využitia obráteného Rankinovho obehu vo funkcii tepelného čerpadla pre ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV) je na obr.8.6. Teplo q1 sa v tomto príklade odoberá zo vzduchu (jeho ochladzovaním), teplo q2 slúži na ohrev vody. Na obr.8.6. sú uvedené teploty t1 a t2 (ako príklad), medzi ktorými môže obeh pracovať. Samozrejme sú možné aj iné hodnoty teplôt. Na bilanciu použijeme p-i diagram na obr.8.4. resp.
Tepelné čerpadlo je alternatívou vykurovania klasickým palivom. Kompresor tepelného čerpadla najčastejšie poháňa elektrická energia, ktorú získavame z klasického paliva v tepelnej elektrárni s účinnosťou ~ 0,3. Účinnosť priameho vykurovania (prostredníctvom kotla) je asi ~ 0,75. Z hľadiska primárnych zdrojov energie bude teda tepelné čerpadlo ekvivalentné klasickému kúreniu, ak bude dodávať do vykurovacieho systému rovnaké teplo ako priame spaľovanie. Ekvivalentné toky energií porovnávajúceho zdroja (palivo) sú pre obidva systémy na obr.8.7. Ak tepelné čerpadlo porovnávame s vykurovaním el.
Prečítajte si tiež: Obrátený jablkový koláč s kváskom
Pri celkovom ekonomickom bilancovaní, treba, brať do úvahy aj investičné náklady, ktoré sú pre tepelné čerpadlá niekoľkokrát vyššie ako náklady na kotol. Uvedené ekonomické hodnoty platia, samozrejme pre tepelné čerpadlá pracujúce na princípe obráteného parného Rankinovho obehu, s ktorým sme sa doteraz zaoberali a ktorý sa využíva v systémoch tepelných čerpadiel vo viac ako 90% prípadoch.
Absorpčné obehy
Pohonnou energiou absorbčného obehu je energia tepelná, získaná spaľovaním alebo odporovým elektrickým ohrevom. Je výhodné najmä tam, kde je k dispozícii odpadové teplo, odberaná para a pod., takže v porovnaní s kompresorovým zariadením možno ušetriť elektrickú energiu, potrebnú pre pohon kompresora. Schéma obehu je na obr.8.8.
Princíp fungovania absorpčného obehu
Obeh pracuje s dvojicou chladiacich médií a najčastejšie sa používa dvojica čpavok a voda. Obeh má dva okruhy: okruh chladiaceho média (na obrázku plnou čiarou) a okruh roztoku (na obrázku bodkočiarkovanou čiarou). Popíšme teraz jeho funkciu a predpokladajme pritom činnosť tepelného čerpadla pre kúrenie. Chladivo (NH3) na výstupe z vypudzovača Vp je v plynnom stave a má teplotu vyžadovanú pre kúrenie. Odovzdáva teplo Q1 v kondenzátore KOND, čím kondenzuje, v redukčnom ventile RV 1 sa zníži tlak a teplota pod teplotu okolia. Vo výparníku V prijíma teplo okolia Q1 pričom sa odparí. Ďalej vstupuje do absorbéra A naplneného vodou, v ktorej sa čpavok pohltí pri súčasnom uvoľnení tepla Q2,2. Obehovým čerpadlom Č sa roztok, bohatý na čpavok, dopravuje do vypudzovača V, v ktorom sa prostredníctvom dodaného tepla Qz (získaného napr. spaľovaní) zohrieva, čpavok sa uvoľňuje a znova prúdi do okruhu chladiva. Elektrická energia na pohon obehového čerpadla je zanedbateľná. ak pohonná tepelná energia sa získava z elektrickej energie, je ekonomická hodnota rovnaká ako pri parnom obehu s kompresorom, poháňaným el.
Difúzne obehy
U absorbčných chladničiek, používaným v domácnosti, sa používajú tzv. difúzne obehy, v ktorých okrem chladiva a absorbenta je ešte treba látku, do ktorej prostredia sa chladivo odparuje. (Napr. Vodík svojím parciálnym tlakom vyrovnáva tlak v nízkotlakovej časti (vo výparníku) na celkový tlak, rovný tlaku vo vysokotlakej časti. Ak sa výparník umiestni hore, môže chladivo pretekať do vypudzovača rozdielom hydrostatických tlakov, takže u týchto zariadení nie je potrebné žiadne čerpadlo, teda žiaden točivý stroj.
Hampsonove zariadenie
Pre chladenie látok na teploty hlboko pod bodom mrazu sa používajú rôzne systémy. My si tu uvedieme len ako príklad Hampsonove zariadenie, slúžiace ku skvapalňovaniu plynov (napr. vzduchu).
Prečítajte si tiež: Obrátený rezeň: Jednoduchý recept
Princíp fungovania Hampsonove zariadenia
Kompresorom K sa nasáva vzduch s tlakom p2 = p1 = p8 = 0,1 MPa, ktorý je zmesou vzduchu braného z atmosféry (1) a vracajúceho sa chladnejšieho vzduchu (8). Kompresia (2-3) je štvorstupňová s medzichladením v chladiči CH, čo je znázornené v T-s diagrame na (obr.8.10). V schéme na (obr.8.9) nie je chladenie medzi jednotlivými stupňami kompresie podrobnejšie rozkreslené. Po kompresii a čiastočnom ochladení chladiacej vody vzduchom, stlačený na cca 15 až 20 MPa v stave (3) vedie do výmenníku V, v ktorom sa ďalej ochladzuje chladným vzduchom, odchádzajúcim z odlučovača OK. Bod (5) leží v oblasti koexistencie sýtej vzduchovej pary a kvapalného vzduchu na bod varu pri teplote t5. Táto zmes sa zavedie do odlučovača OK, kde sa oddelí kvapalná fáza (6) (asi 10% z celkového množstva).
Výber chladiva
Obrátené obehy pracujú pri rôznych teplotách t1 a t2 daných požiadavkami na teplotu chladenia t1 (v prípade chladiacich zariadení) resp. na teplotu vykurovacieho systému t2 (v prípade tepelných čerpadiel). Aby bolo možné splniť uvedené požiadavky pri rôznych teplotách t1 a t2 používajú sa u obrátených obehoch desiatky rôznych chladiacich médií (chladív), ktoré sa medzi sebou líšia závislosťou teploty bodu varu od tlaku a samozrejme chemickým zložením. Medzi chladivo patrí napr. čpavok NH3, oxid uhličitý CO2, metylchlorid CH3Cl, v kompresorových obehoch to boli donedávna rôzne halogenizované chlorovodíky zvané freóny. a mnoho ďalších. Na obr.8.11 je nakreslená závislosť teploty bodu varu od tlaku pre dve rôzne chladiace médiá A a B. Predpokladajme, že obeh pracuje medzi teplotami t1 a t2 s médiom A. Týmito teplotami sú jednoznačne dané tlaky vyparovania - p1A a kondenzácie - p2A. s rovnakým chladiacim médiom A treba zmeniť tlaky, medzi ktorými obeh pracuje z p1A a p2A na p1A' a p2A'.
Zdroje nízko potenciálneho tepla pre tepelné čerpadlá
Na obr.8.6 sme ukázali príklad tepelného čerpadla využívaného na ohrev vody. Zdrojom nízko potenciálneho tepla je v tomto prípade vzduch z okolia, ktorému výparník s nízkou teplotou t1 teplo odoberal. Kondenzátor s vyššou teplotou t2 odovzdával toto teplo, zvýšené o energiu dodanú kompresorom, do vody v zásobníku. Vzduch sa odoberaním tepla ochladzuje, čo nie je vždy žiadúce, ak sa napr. jedná o uzavreté priestory. Preto sa odoberanie tepla uskutočňuje často mimo objekt napr. Zberač nízko potenciálneho tepla však nemusí byť umiestnený vo vzduchu (ako je to na obr.8.6), ale aj vo vode (rieke, jazere) alebo zakopaný v zemi. prípadne aj kombinácie s ďalšími zdrojmi (napr. slnečné žiarenie).
Charakteristika tepelného čerpadla
Tepelné čerpadlo pracuje podľa obráteného Rankinovho obehu, ktorý vynikol malými úpravami z obehu Carnotovho. kde T2 a T1 sú (pri zanedbaní nutných teplotných spádov) teplota vykurovacieho média (T2) a nízko potenciálneho zdroja tepla (T1). resp. kde PK je výkon kompresora za predpokladu PK = const., je tepelný výkon PQ2 priamo úmerný , ktorý je zasa nepriamoúmerný rozdielu teplôt T2 - T1, medzi ktorými obeh pracuje. Čím menší je rozdiel T2 - T1 tým väčší je , resp. Z uvedenej analýzy si vieme predstaviť ako asi bude vyzerať charakteristika tepelného čerpadla. Tá je znázornená na obr.8.12 pre zdroj nízko potenciálneho tepla - vzduch.
Problémy s využitím vzduchu ako zdroja tepla
Na obr.8.12 je zakreslená aj potreba tepla, t.j. Vidíme, že charakteristika tepelného čerpadla má opačný priebeh ako by sme potrebovali. Na ľavo od rovnovážneho bodu R (okolo 0°C) nestačí tepelné čerpadlo pokryť tepelné straty. Bolo by samozrejme možné navrhnúť tepelné čerpadlo väčšieho výkonu ako je to na obr.8.12 naznačené čiarkovanou čiarou a v rovnovážnom bode znížiť výkon otáčkami kompresora, ale toto riešenie by bolo nákladné a neekonomické, pretože pri teplotách pod 0°C pracuje tepelné čerpadlo s nízkym vykurovacím faktorom . Deficit výkonu naľavo od bodu R treba preto pokryť klasickým kúrením. alternatívna (naľavo od rovnovážneho bodu pracuje len kotol, napravo len tepelné čerpadlo). V predchádzajúcom príklade sme naznačili problémy spojené so vzduchom ako zdrojom nízko potenciálneho tepla. nestačí pri pod nulových teplotách okolia ekonomicky pokryť potrebu tepla. Nízka efektivita pri podnulových teplotách vonkajšieho vzduchu vtedy, ak výparník možno umiestniť v priestoroch, v ktorých teplota neklesá pod 0°C (napr. v pivnici). Priestory musia byť dostatočne rozmerné, aby v dôsledku činnosti výparníka neklesla teplota pod 0°C a nedošlo k zamrznutiu rozvodov vody. Teplo odobraté výparníkom musí sa nahradiť teplom preneseným z vonkajšej vody cez základy. termálna, resp.
Využitie povrchovej a studničnej vody
Príklad využitia povrchovej vody t.j. Voda rieky odovzdáva teplo vo výparníku a ochladená o t1v - t2v ~ 4 K sa do rieky vypúšťa. Problém je v tom, že v zimnom období môže teplota vody v rieke klesať blízko k 0°C. Pri ochladení vo výparníku o 4K by zamŕzala a je preto použiteľná len ak je jej teplota vyššia ako 5°C. V našich klimatických podmienkach to celoročne neplatí a preto možno konštatovať ako u vzduchu.
Studničná voda sa nachádza zvyčajne v nezamrznúcej hĺbke t.j. v našich podmienkach asi 0,8m. Ak ju čerpáme z väčšej hĺbky, kde teplota celoročne neklesn…
Cykly klasických a jadrových elektrární
Cieľom tejto kapitoly je ozrejmiť problematiku obehov klasických i jadrových elektrárni. Čitateľ by mal pochopiť princíp Clausius-Rankinovho obehu ako aj jeho upravené formy s cieľom zvýšenia termodynamickej účinnosti obehu. Carnotov obeh v oblasti mokrej pary je na obr.7.1a. Sled základných termodynamických zmien stavu je rovnaký ako v oblasti plynu, tvar obehu v súradniciach p-v je v mokrej pare odlišný. Rozoberme teraz jednotlivé zmeny, uveďme odlišnosti oproti oblasti plynu a navrhnime zariadenia, ktoré budú tieto zmeny realizovať. podstatný rozdiel oproti plynu (kde je izoterma krivkou pv = const). V oblasti mokrej pary je izoterma súčasne izobarou. fyzikálne predstavuje zmena 2-3 izobarickú kondenzáciu pary. podobný rozdiel ako pri zmene 2-3. fyzikálne predstavuje zmena 4-1 odparovanie vody z teploty bodu varu na stav sýtej pary. Vzťah pre účinnosť Carnotovho obehu hovorí, že účinnosť nezávisí od toho, či je para sýta alebo mokrá. V T-s diagrame na obr.7.1 je porovnanie obehu s mokrou parou (1',2',3,4) a sýtou parou (1,2,3,4). neuskutočňuje úplnú kondenzáciu pary. Dokončenie kondenzácie má prebiehať v "kompresore" pri adiabatickej kompresii. rozmery "kompresora" a kompresná práca sa budú zväčšovať pri prechode k výhodnejším teplotám, t.j. Carnotov obeh neumožňuje prehriatie pary (posun stavu 1 po izobare smerom doprava), ktorým získavame z 1 kg pary väčšiu prácu. V diagramoch je zakreslená vratná adiabatická expanzia v turbíne, t.j. ds = 0. Principiálne schéma technickej realizácie sa len málo líši od Carnotovho obehu. Pribudol len prehrievač pary P, uskutočňujúci prehrievanie pary (1'- 1) a predhrievač napájacej vody pred kotlom E (ekonomizér), ktorý využíva teplo dymových plynov pred vstupom do komína na predhrievanie vody na teplotu bodu varu (4 - 4'). Pre úplnosť je zakreslený aj okruh chladiacej vody. Oteplená voda z kondenzátora vstupuje do chladiacej veže, v ktorej sa rozvádza po celom priereze, padá dolu proti prúdiacemu vzduchu a odovzdáva mu teplo, získané v kondenzátore, t.j. celé kondenzačné teplo pary q2. Alternatívou tohto zatvoreného chladiaceho okruhu je chladenie prietokové používané tam, kde je k dispozícii dostatočný vodný zdroj (rieka, jazero). Studená voda sa čerpá zo zdroja do kondenzátora a oteplená sa do zdroja vypúšťa.
Vnútorná termodynamická účinnosť
V kapitole 3.3.1. sme definovali vnútornú termodynamickú účinnosť reálnej adiabatickej expanzie (s trením) ako pomer reálne získanej technickej práce (pri existencii trenia) k ideálnej práci (bez trenia). Ako už bolo vysvetlené v kap. 3.3.1. rast entropie je vyvolaný vnútorným trením, ktoré pre pracovnú látku predstavuje dodané teplo (dq > 0). Čím väčšie je trenie (dodané teplo) tým väčší je rast entropie , tým viac sa koniec expanzie (bod 2) posúva po izobare p2 smerom doprava a tým menšia je získaná práca. Potvrdzuje sa nám záver, ku ktorému sme dospeli v súvislosti s 2. zákonom termodynamiky v kap.5.2, že rast entropie predstavuje degradáciu energie. Hraničnými stavmi na obr.7.4. je ideálna adiabatická zmena (bez trenia) 1-2 a zmena 1-2''' , pri ktorej je práca nulová a energia zmarená. Túto zmenu sme definovali v kap. 3.3.3. Vnútornú termodynamickú účinnosť získavame meraním na skutočných strojoch (ideálnu prácu - výpočtom, at' = i1 - i2' - meraním na hriadeli). Treba učiť spotrebu pary pre daný výkon turbíny (obr.7.5) Sú dané parametre pary na vstupe do turbíny p1, t1 a tlak na konci expanzie p2. Vstupnými parametrami je určený stav 1 (začiatok expanzie). Pre vratnú adiabatickú expanziu určíme koniec expanzie - stav 2 - ako priesečník izoentropy s izobarou p2. Podľa predchádzajúcej kapitoly 7.3 pri nevratnej expanzii narastá entropia a konečný stav po expanzii sa posúva po izobare p2 smerom doprava do stavu 2'. Tým sa zmenšuje aj rozdiel entalpií, takže skutočná práca, t.j. Skutočnú prácu nevratnej expanzie vypočítame potom ako at' = at kde at = i1 - i2, odčítame z i-s diagramu, podľa schémy na obr.7.5. Rozdiel entalpií i1 - i2, resp. i1 - i2', zodpovedajúci získanej práci, sa nazýva tiež adiabatický spád a označuje sa h. Bilančná schéma kotla je na obr.7.6. Pre izobarický ohrev je dp = 0 a dodané teplo sa rovná zmene entalpie. kde rovnosť i4 = i3 platí, pretože platí aj rovnosť t4 = t3, teplota vody sa pri kompresii v čerpadle prakticky nezmení. Bilančná schéma kondenzátora je na obr.7.7.
Faktory ovplyvňujúce účinnosť
Účinnosť daná vzťahom (7-11) dosahuje pomerne nízke hodnoty. kde čitateľ zlomku, i1 - i2' t.j. 1300 kJkg-1, je práca, získaná v turbíne, rozdiel entalpií i2'- i3, t.j. 1850 kJkg-1, sa odvedie z kondenzátora bez využitia do okolia. Účinnosť premeny tepla z paliva na prácu je ešte nižšia, pretože treba uvažovať ešte účinnosť kotla, t.j. vynásobiť tepelnú účinnosť účinnosťou kotla.
- Vplyv tlaku p1: Pre zistenie vplyvu p1 považujme za konštantné t1 a p2 (obr.7.8). Z obrázka vidieť, že s rastúcim tlakom p1 rastie aj adiabatický spád, tým aj účinnosť a práca získaná z 1 kg pary. Nepriaznivý vplyv sa prejavuje na konci expanzie, kde sa stav 2 posúva hlbšie do oblasti mokrej pary. Kvapky vody v pare zhoršujú prietokové pomery lopatiek posledných stupňov turbíny a okrem toho pôsobia aj erozívne. Z tohto hľadiska musí byť x2min 0,88.
- Vplyv vstupnej teploty pary t1: Považujme teraz za konštantné p1 a p2. Ako vidieť z obr.7.9, rastie s teplotou t1 aj adiabatický spád (v dôsledku rozbiehania izobar), ale súčasne aj entalpia i1. Narastanie h a i1 majú protichodný vplyv na zvyšovanie účinnosti (pozri vzťah 7-11b) prevláda však vplyv rastu h, preto sa účinnosť s rastúcou teplotou zvyšuje. Stav 2 sa po expanzii posúva smerom k sýtej pare a kompenzuje tak nepriaznivý vplyv zvyšovania tlaku p1.
- Vplyv výstupného tlaku p2: V tomto prípade považujeme za konštantné p1 a t1. Z obr.7.10 jednoznačne vidíme, že s klesajúcim tlakom p2 adiabatický spád, a tým aj účinnosť rýchlo rastie. Pritom závislosť adiabatického spádu od rozdielu tlakov p1-p2 nie je lineárna, ale rádovému rozdielu tlakov zodpovedá približne rádovo rovnaký rozdiel entalpií (obr.7.11). Z toho vyplýva, že znižovanie výstupného tlaku prináša oveľa väčší efekt ako zvyšovanie vstupného. Preto sa tlak v kondenzátore volí podľa možnosti čo najnižší a býva asi 3 ÷ 5 kPa, t.j. 97 - 94% vákua. Pre udržanie vákua je pripojená na kondenzátor výveva, ktorá z neho neustále vysáva vzduch vznikajúci netesnosťami a s parou. Teplota kondenzácie pri uvedenom tlaku je asi 30 až 35 °C, teplota chladiacej vody na výstupe z kondenzátora musí byť o 2 ÷ 3 K nižšia, teplo odchádzajúce s chladiacou vodou má teda príliš nízky potenciál pre využitie (okrem vykurovania skleníkov, bazénov a pod.).
#