hyötysuhde

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Osaisiko joku sanoa millaiseen hyötysuhteeseen päästään jos viritellään välijäähdytetty turbodieseli pyörittämään generaattoria ja sitten noihin pakokaasuihin yhdistettäisiin vaikkapa stirling tyyppinen moottori joka pyörittää toista generaattoria. Pakokaasuthan ovat aika kuumia ja ottomoottori tuottaa paljon hukkaenergiaa mm. pakokaasujen muodossa.
Millaiseen hyötysuhteeseen tuolla systeemillä pääsisi.
Tietääkseni tuo diesel moottori yltää jo yksinään jopa yli 40 % hyötysuhteeseen.

Sivut

Kommentit (18)

Teekkari
Seuraa 
Viestejä2347
Liittynyt27.4.2008

Ongelma on siinä, että pakokaasujen pitäisi olla suht. korkeassa paineessa, jotta niillä saisi merkittävästi jotain irti stirlingistä, eikä siellä saisi sitten olla paljonkaan happea jäljellä. Toisaalta jos ne kaasut saatetaan kovaan paineeseen se syö tehoa varsinaiselta dieseliltä, ellei stirlingiä myös ahdeta erikseen...

Everything you know, is about to change.

Vierailija

Hyötysuhde on 100%.

Kertoisitko vielä, että mikä tässä lasketan hyödyksi? Se lämpöenergia vai moottorin tuottama pyörimisliike vai ääni vai mitähä?

Vierailija

Oletettavasti tavoitteena on generaattorilta saatava sähköteho? Tosin dieseliin perustuvat tekniikat ovat poikkeuksetta kalliita käyttää, oli hyötysuhde sitten mikä hyvänsä. Kenties jokin kaasuturbiiniratkaisu olisi järkevämpi?

Vierailija

Pohdin vain että kuinka paljon systeemin kokonaishyötysuhde paranee jos pakokaasujen lämpö otetaan talteen esim. stirling moottorilla.

Vierailija

Auton katolle voisi panna tuulimyllyn. Akseli pyörittäisi ahdinta, eli ahtopaine olisi vauhdin eikä rpm funktio.

Turboissa on se ärsyttävä piirre, että potku katoaa jos nostaa välillä jalan kaasulta. Rallikuskit tietää että kurveissa pitää yleensä jarruttaa, ja paineet laskee ikävästi. Moni painaakin jalkansa kaasun ja jarrupolkimen väliin, jolloin molemmat vaikuttaa. Mutkan jälkeen on käytettävissä täydet ahtopaineet.

Tämmöinen polkeminen ei ole ihan helppoa.

Vierailija

Laskeskelin tässä että jos dieselmoottorin hyötysuhteeksi oletetaan 40% ja sen palamisen keskilämpötilaksi oletetaan 600 astetta, niin silloin pakokaasujen pitäisi olla 250 astetta lämpimiä.

Jos sitten tuosta 250 asteesta lähdetään ottamaan lisää energiaa irti, niin se tapahtuu carnotin lakien puitteissa korkeintaan 44% hyötysuhteella kun lämmönvaihtimen lämpötila on 20 astetta.

Käytännössä jos siihen väliin laittaa höyrykoneen, niin lauhduttimen lämpötila on 100 astetta ja hyötysuhde on täten maksimissaan 28%.

Kokonaisuutena siis saadaan 0,4 + (0,6*0,28) = 0,568

Hukkalämmön talteenotolla saataisiin siis hyötysuhde teoriassa nostettua 57%:iin. Lämpöhäviöt ym. mukaan luettuna varmaan alle 50%.

Sitten jos nostetaan palamisen lämpötilaa yli sen mitä mäntämoottori kestää. Sanotaan vaikka että pienoisturbiinissa poltetaan seosta tasaisella 1200 asteen lämmöllä ja saadaan siitä 30% hyötysuhteella turbiinin akselille tehoa, pakokaasun lämpötila on sen jälkeen vielä 758 astetta. Siitä vielä höyryturbiinilla sataan asteeseen pitäisi tulla 68% eli:

0,3 + (0,7 * 0,68) = 0,776

77% teoreettinen huippuhyötysuhde. Käytännössä varmaan joku 60% kun otetaan kitka ja lämpöhäviöt huomioon.

Carnot hyötysuhde on 1 - (T1/T2) jossa T1 on laitteen kylmän pään ja T2 on kuuman pään lämpötila kelvineinä.

Mäntämoottori ei ole ideaalinen lämpökone sen takia, että männästä loppuu liikevara kesken ennen kuin kuuma kaasu on ehtinyt paisumalla jäähtyä ympäristön lämpötilaan ja siten luovuttamaan kaikkea energiaa. Sen takia pitkäiskuiset ja oikein hitaat mäntämoottorit saavuttavat paremman hyötysuhteen.

Teekkari
Seuraa 
Viestejä2347
Liittynyt27.4.2008
JaakkoFagerlund
Hyötysuhde on 100%.

Kertoisitko vielä, että mikä tässä lasketan hyödyksi? Se lämpöenergia vai moottorin tuottama pyörimisliike vai ääni vai mitähä?

Kaikki mistä hyödyt...mutta jos se ääni nyt esimerkiksi sinua miellyttää, niin mikä ettei laske pois.

Everything you know, is about to change.

vorrester
Seuraa 
Viestejä615
Liittynyt22.7.2005
Veikko
Laskeskelin tässä että jos dieselmoottorin hyötysuhteeksi oletetaan 40% ja sen palamisen keskilämpötilaksi oletetaan 600 astetta, niin silloin pakokaasujen pitäisi olla 250 astetta lämpimiä.



Mitäpä jos moottori lämpöeristeisesti koteloidaan, jäähdytys järjestelmä ylipaineistetaan ja lauhduttimissa lauhdutetaan vesikierto 120 asteen tasolle. Samoin öljy ajetaan lauhduttimien kautta 120 asteeseen. Pakokaasut ajetaan saman lauhdutin järjestelmän läpi. Eli pakokaasun poistolämpötila n. 120 astetta.

Itsessään lauhdutin on vedellä toteutettu toisiokierto. Eli 120 asteen vedellä olisi jo höyryvaikutus ja mahdollisuuksia ajaa turbiinin läpi. Turbiinin takaa alle sata asteinen vesi pumpataan takaisin kiertoon.

Eli järjestelmästä poistuva energia olisi 120 asteinen pakokaasu. Ehkä lisäksi lisälauhdutin turbiinin jälkeen veden saattamiseksi nesteeksi takaisin. Muuten energia kiertäisi suljetussa järjestelmässä.
Moottorin käyntilämpötila nousisi parikymmentä astetta normaalista, mutta se ei liene ongelma.

Suurin kysymys on, pystyykö 120 asteen vedestä ottamaan energiaa talteen turbiinilla. Tai vaihtoehtoisesti alemman höyrystymis lämpötilan omaavalla nesteellä, metanoli?

Aivopierun tunnistaa rivin alun merkistä *

Vierailija
vorrester
Veikko
Laskeskelin tässä että jos dieselmoottorin hyötysuhteeksi oletetaan 40% ja sen palamisen keskilämpötilaksi oletetaan 600 astetta, niin silloin pakokaasujen pitäisi olla 250 astetta lämpimiä.



Mitäpä jos moottori lämpöeristeisesti koteloidaan, jäähdytys järjestelmä ylipaineistetaan ja lauhduttimissa lauhdutetaan vesikierto 120 asteen tasolle. Samoin öljy ajetaan lauhduttimien kautta 120 asteeseen. Pakokaasut ajetaan saman lauhdutin järjestelmän läpi. Eli pakokaasun poistolämpötila n. 120 astetta.



Lämpöeristämällä ja ylipaineistamalla tietenkin vähennetään lämpöhäviötä itse moottorin lohkoon, koska lämpötilaero sylinterin sisällön ja lohkon välillä kapenee jäähdytysjärjestelmän lämpötilan noustessa, mutta se on suhteessa vähäisempi häviö.

Työkierron päätteeksi kun mäntä on alhaalla ja pakoventiili aukeaa, on sylinterissä olevan kaasun lämpötila vielä se 250 astetta ja siellä on sen takia vielä painetta jäljellä jota ei ole käytetty hyödyksi.

Kaasua ei ole saatu paisutettua loppuun asti, koska moottori ei ehdi odottaa että kylmenevä ja yhä hitaammin paisuva kaasuseos antaisi voimansa männälle.

Pakokaasua väkisin jäähdyttämällä saavutetaan vain viileämmät pakokaasut, ja enemmän pumppaustyötä moottorille koska pakoputkissa kulkeva kaasu on kylmempänä tiheämpää ja aiheuttaa sen takia enemmän vastapainetta koneelle.

Sikäli kun tuosta 120 asteiseksi paineistetusta kierrosta otetaan höyryä joka lauhdutetaan 100 asteeseen, kaikesta jäähdytysveteen siirtyneestä energiasta saadaan korkeintaan 17% talteen.

Tällöin kokonaishyötysuhde ideaalisessa tapauksessa olisi 40% + (60% * 17%) = 50%

Ongelma on siinä, että emme voi rakentaa lämmönvaihdinta joka nappaa kaiken lämpöenergian pakokaasuista. Lämmönvaihdin joka ottaa sisäänsä 250 asteista kaasua ja antaa ulos 120 asteista kaasua ja 120 asteista vettä on valtavan suuri, koska lämmönsiirron teho heikkenee sitä mukaa kun kaasun ja nesteen välinen lämpötilaero kapenee. Sitäpaitsi, osa lämpöenergiasta jää siihen vieläkin tulikuumaan kaasuun.

Sen takia käytännön hyötysuhde jää huomattavasti alhaisemmaksi. Jos oletamme että lämmönvaihdin siirtää puolet pakokaasujen lämpöenergiasta jäähdytysnesteeseen, saamme lopputulokseksi 45% eli viiden prosenttiyksikön parannuksen pelkkään moottoriin nähden.

Vierailija

BMW väittää tehneensä pakoputkeen kytkeytyvän lämmönvaihtimen joka kerää 80% lämpöenergiasta talteen, mutta he eivät muistaakseni ilmaisseet missä lämpötilassa tämä energia saadaan.

Jos oletetaan että tuo energia saadaan ulos esimerkiksi 100 asteen lämpötilassa, ja sillä pyöritetään turbiinia jonka työkaasua lauhdutetaan ajoviimalla 40 asteeseen - työkaasuna voi tällöin toimia esimerkiksi paineistettu butaani - saamme noin 15% pakokaasujen energiasta takaisin.

Tietenkin jos ulkona on 40 asteen helle, homma ei toimi alkuunkaan koska työkaasu ei sitten enää lauhdu takaisin nesteeksi.

Mutta jos ulkona onkin -10 astetta pakkasta, niin silloin voidaan työkierron paine tiputtaa yhteen ilmakehään ja saadaan butaani lauhtumaan nesteeksi -1 asteessa. Tällöin saadaankin jo 27% energiasta talteen.

Stirlingkone olisi tällaiseen toimintaan paljon otollisempi laite kuin höyryturbiini, koska sen työkaasu ei tarvitse faasimuunnosta, jonka seurauksena kylmä ja kuuma lämmönvaihdin voi olla oikeastaan missä tahansa lämpötilassa jossa materiaalit vielä kestävät. Haittapuolena onkin sitten paljon monimutkaisempi mekaaninen rakenne ja siitä johtuvat kitka- ja pumppaushäviöt, sekä paljon isompi koko.

Turbiineilla päästään tänä päivänä noin 80% ideaalista hyötysuhteesta ja parhaimmat pääsevät 2% päähän teoreettisesta carnot-hyötysuhteesta. Yleensä kuitenkin varsin kapealla teho/nopeusalueella, joka tarkoittaa sitä että niitä ei voi suoraan kytkeä auton vetoakselille, ellei sitten halua menettää suurta osaa kerätystä energiasta siihen että turbiini pyörii väärällä nopeudella.

Teekkari
Seuraa 
Viestejä2347
Liittynyt27.4.2008
BMW väittää tehneensä pakoputkeen kytkeytyvän lämmönvaihtimen joka kerää 80% lämpöenergiasta talteen, mutta he eivät muistaakseni ilmaisseet missä lämpötilassa tämä energia saadaan.

Jos oletetaan että tuo energia saadaan ulos esimerkiksi 100 asteen lämpötilassa, ja sillä pyöritetään turbiinia jonka työkaasua lauhdutetaan ajoviimalla 40 asteeseen - työkaasuna voi tällöin toimia esimerkiksi paineistettu butaani - saamme noin 15% pakokaasujen energiasta takaisin.

Mistä turbiinista mahdat puhua? Siis jos siellä on lämmönvaihdin, missä se turbiini on?

Everything you know, is about to change.

Vierailija
Teekkari
Mistä turbiinista mahdat puhua? Siis jos siellä on lämmönvaihdin, missä se turbiini on?



Turbiini oli bemarin suunnitelmissa moottorin kyljessä kiinni ja pyöritteli akselia joka meni jotain kautta voimansiirtoon. Lämmönvaihdin oli kuvien mukaan sellainen suurehko laatikko joka tuli kiinni pakoputkeen vähän matkan päässä pakosarjasta.

En muista mihin olivat suunnitelleet laittaa lauhduttimen, tai että lauhdutettiinko työkaasu moottorin jäähdytysnesteellä.

Ilmeisesti idea oli se, että kun autolla ajetaan moottoritiellä satasta niin kampiakselille alennusvaihteen kautta kytketty pakokaasun lämmön avulla höyrystetyllä nestekaasulla pyörivä turbiini vääntä lisää jerkkua koneeseen jonka ei tarvitse silloin tehdä yhtä paljon työtä, ja tällä tavoin säästää polttoainetta.

Tuo oli suunniteltu 90 luvulla, eikä koskaan pantu käytäntöön. Tekniikan maailmasta luin aikoinaan. Siitä syntyi suuri kohu koska ihmiset ymmärsivät väärin että 80% lämmön talteenotto tarkoittaisi sitä, että lähes kaikki hukkaenergia saataisiin todellakin hyödynnettyä.

Ainakin siinä autossa olisi ollut mahdollisuus erittäin tehokkaaseen sisätilanlämmittimeen. Parikymmentä kilowattia olisi tullut heittämällä.

Oikeastaan saman tempun voisi tehdä puhaltamalla pakokaasua suoraan johonkin turboon ja kytkemällä sen akselin voimansiirtoon. Ei silläkään saa juuri mitään irti, mutta onpahan joku väkkärä pyörimässä. Kierroslukujen ja kaasunpaineiden yhteensovittamisessa voisi olla jollakin mielenkiintoinen työ.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat