Lämpövoimakoneiden huono hyötysuhde, miksi?

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Tuossa kun ajattelin niitä-näitä. Tajusin, jotta en oikeastan tiedä, miksi lämpövoimakoneiden hyötysuhde on niin huono.

Mäntäkoneet ja höyryturbiinit (höyry). Polttomoottorit, suihkuturbiinit jne. Stirling lienee paras. Toisena diesel. Muistelen niin.

Mikään laite ei yllä käytännössä yli 0,5:n hyötyyn lämmön muuttamisesta liikkeeksi. Teoria on asia erikseen. Onks kukaan syventynyt, mikä on ongelman ydin teknisesti ja fysikaalisesti?

Sivut

Kommentit (67)

Vierailija

Itse en ole hirveästi asiaa pohtinut, mutta jos pohtisin, niin ensiksi tutustuisin carnotin teorioihin.

Carnotin kaavat kun kuvaavat teoreettista lämpövoimakonetta, jolla on tietääkseni paras mahdollinen hyötysuhde, mutta joka ei ole toteutuskelpoinen.

Jos olen asian oikein ymmärtänyt, niin stirling on lähin toteutuskelpoinen vastine carnotin koneelle.

Stirlingillä varmaan päästäisiin jo aika hyviin hyötysuhteisiin, mutta käytännön syistä lämpötilat tahtovat jäädä melko mataliksi

Sama pätee tiettävästi myös höyrykoneisiin, nimittäin jos vaikka vesihöyry onkin suhteellisen harmitonta ainetta, niin tulistettu höyry onkin jo toinen juttu, ja sittenkin lämpötila on vasta jotain 200 astetta. Muistaakseni tosin olen kuullut joitain suunnitelmia käyttää veden sijasta jotain inerttiä kaasua, mutta silloin voimakone ei taida olla enää höyrykone, vaan turbiini-brayton ulkoisella lämmönlähteellä.

Brayton-, otto- ja diesel-koneilla toki saadaan lämpötilat korkeiksi, mutta niillä pakokaasujen lämpötilat jäävät korkeiksi, ja kaasun supistuminen jätetään kokonaan hyödyntämättä, toisin kuin paremmissa höyrykoneissa ja stirlingeissä.

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007

Ei tuo kovin huonolta hyötysuhteelta kuulosta, melkein ideaaliprosessi..
Teknisesti ongelmana on materiaalin lämpötilankesto / lujuus korkeassa lämpötilassa. Toinen laajempi ongelmakenttä on pienet detaljit, joiden johdosta prosessi ei ole teorian mukainen.
Hyötysuhde paranee rajusti, jos hukkalämmön saa talteen vaikkapa rakennusten tai käyttöveden lämmitykseen. Esimerkiksi pellolla möyrivän traktorin hukkalämmöllä pitäisi kämppää lämpinänä pitkään

hangover
Tuossa kun ajattelin niitä-näitä. Tajusin, jotta en oikeastan tiedä, miksi lämpövoimakoneiden hyötysuhde on niin huono.

Mäntäkoneet ja höyryturbiinit (höyry). Polttomoottorit, suihkuturbiinit jne. Stirling lienee paras. Toisena diesel. Muistelen niin.

Mikään laite ei yllä käytännössä yli 0,5:n hyötyyn lämmön muuttamisesta liikkeeksi. Teoria on asia erikseen. Onks kukaan syventynyt, mikä on ongelman ydin teknisesti ja fysikaalisesti?

Vierailija

Ottomoottoreissa rajoitus tulee siitä, että täytyy tehdä kompromissi tehon ja hyötysuhteen välillä. Kun sylinteritilavuus on rajattu ja iskupituus suhteellisen lyhyt, täytyy moottorin käyntinopeuden olla korkea että siitä ylipäätään saadaan irti tehoa. Kaasun paisutus jää vajaaksi ja suurin osa energiasta poistuu pakoputken kautta. Pienissä moottoreissa tilavuuden suhde pinta-alaan on myös pienempi, eli polttoaineseoksesta katoaa lohkoon merkittäviä määriä lämpöä.

Toinen rajoitus ainakin bensan kohdalla on myös moottorin puristussuhde, jota ei voi nostaa kovin korkealle tai kone alkaa nakuttamaan. Matala puristussuhde tarkoittaa että kaasu paisuu vähemmän ennenkuin se päästetään ulos sylinteristä.

Wärtsilän isot laivadieselit pääsevät hyvin lähelle dieselkoneen teoreettista maksimia, mutta se johtuu lähinnä siitä että ne ovat kivitalon kokoisia laitoksia jossa mäntä iskee noin kerran sekunnissa.

Vierailija

Tuo paisunnan huonous polttomoottorissa, ja lämmön hukkuminen lohkoon ja syyläriin on ymmärrettävissä.

Jos ajatellaan pystyssä olevaa sylinteriä, jossa on kaasua. Lämmitetään sitä, ja mäntä nousee luonnollisesti ylöspäin.
Lukitaan mäntä tähän yläasentoon, ja avataan sylinteri (vaikkapa hana): Kaasua ei juurikaan tule ulos.

Seuraavaksi asetetaan kuormaa männän päälle, ja lähdetään samasta alkupisteestä. Lämmitetään, ja mäntä kuormineen nousee ylös. Lukitaan yläasentoon. avataan hana, ja kaasua tulee ulos.

Kaasu on siis jäänyt paineeseen, ja aiheuttaa hävikkiä, koska ei ole voinut paisua loppuun asti.

edellisen perusteella ko laitteen hyötysuhde pienenee kuormituksen kasvaessa. Lieneekö näin myös höyryturbiinissa?

Vierailija

Turbiinissa hyötysuhde laskee osakuormalla, mutta höyryturbiinista en ole varma. Ainakin Teslan levyturbiinissa hyötysuhde nousee kun kuorma ja kaasun virtaus pienenee.

Vierailija

100%:n hyötysuhdehan on tietysti toiveajattelua mutta hyötysuhteen kasvattaminen lämpövoimakoneissa tyssää yleensä siihen että se vaatisi sen moottorin ympärille valtavasti muita lisälaitteita ja järjestelmiä, niin että kokonaisuuden hinta kasvaa pilviin.
Polttomoottorin hukkalämmön voi kerätä vaikka kuinka hyvin talteen jos kytätään vain hyötysuhdetta. Siinä vaan saattaa kokonaisuuden hinta ja koko kasvaa ulos käyttökelpoiselta alueelta.
Polttomoottorin sisäisiä vastuksiakin voidaan pudottaa huomattavasti, mutta niidenkin systeemien luotettavuus ja hinta on hieman kyseenalainen.

Kuka olisi valmis maksamaan vaikkapa autosta 10 kertaisen hinnan jotta moottori toimisi kokonaisuudessaan kaksinkertaisella hyötysuhteella?

Vierailija
hangover

Kaasu on siis jäänyt paineeseen, ja aiheuttaa hävikkiä, koska ei ole voinut paisua loppuun asti.



Moottoreissa yleensä sisään laitettu seos paisuu paljon enemmän kuin moottorin puristussuhde antaa myöten, ja varsinkin turbokoneissa joissa tarkoituksella ahdetaan vielä lisää ilmaa ja lisää polttoainetta.

Syy on siinä, että jos sylinteriin päästettäisiin vain sen verran seosta että se paisuisi 10 - 15 kertaiseksi mikä koneen puristussuhde on, polttoaineen määrä ei riittäisi tuottamaan riittävästi tehoa kuin vasta todella korkeilla kierrosluvuilla. (tai todella suurilla sylintereillä)

Vierailija
JAN1

Kuka olisi valmis maksamaan vaikkapa autosta 10 kertaisen hinnan jotta moottori toimisi kokonaisuudessaan kaksinkertaisella hyötysuhteella?



Tai tuhatkertaisen hinnan siitä, että viilataan vielä 25% paremmaksi? Vehkeiden hinnat yleensä nousevat eksponentiaalisesti kun lähestytään teoreettista maksimia.

Vierailija
Veikko
JAN1

Kuka olisi valmis maksamaan vaikkapa autosta 10 kertaisen hinnan jotta moottori toimisi kokonaisuudessaan kaksinkertaisella hyötysuhteella?



Tai tuhatkertaisen hinnan siitä, että viilataan vielä 25% paremmaksi? Vehkeiden hinnat yleensä nousevat eksponentiaalisesti kun lähestytään teoreettista maksimia.



Juurikin näin...

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007

Hep!
Jos onnistut parantamaan ottomoottorin hyötysuhdetta edes 30%, saat meikäläisen firmalta parin auton hinnan.

JAN1

Kuka olisi valmis maksamaan vaikkapa autosta 10 kertaisen hinnan jotta moottori toimisi kokonaisuudessaan kaksinkertaisella hyötysuhteella?
Vierailija
Denzil Dexter
Hep!
Jos onnistut parantamaan ottomoottorin hyötysuhdetta edes 30%, saat meikäläisen firmalta parin auton hinnan.

JAN1

Kuka olisi valmis maksamaan vaikkapa autosta 10 kertaisen hinnan jotta moottori toimisi kokonaisuudessaan kaksinkertaisella hyötysuhteella?



Maksatko viulut? Ne autot on puoli-ilmaisia verrattuna siihen paljonko sen systeemin tekeminen maksaa

ps. siis paljonko kokonaishyötysuhde?

Denzil Dexter
Seuraa 
Viestejä6665
Liittynyt7.8.2007

Viulua en maksa, mutta jos saat ottomoottorin hyötysuhdetta parannettua 30% (siis prosenttia, ei prosenttiyksikköä) verrattuna tämän hetken parhaisiin vastaaviin moottoreihin, niin rahaa on luvassa sen verran, että kyllä sillä viulunkin ostat
Tämä tosin edellyttäisi parempaa hyötysuhdetta kuin carnot'n prosessin teoreettinen hyötysuhde, joten haasteita on luvassa.

JAN1
Denzil Dexter
Hep!
Jos onnistut parantamaan ottomoottorin hyötysuhdetta edes 30%, saat meikäläisen firmalta parin auton hinnan.

JAN1

Kuka olisi valmis maksamaan vaikkapa autosta 10 kertaisen hinnan jotta moottori toimisi kokonaisuudessaan kaksinkertaisella hyötysuhteella?



Maksatko viulut? Ne autot on puoli-ilmaisia verrattuna siihen paljonko sen systeemin tekeminen maksaa

ps. siis paljonko kokonaishyötysuhde?

Vierailija
Denzil Dexter
Viulua en maksa, mutta jos saat ottomoottorin hyötysuhdetta parannettua 30% (siis prosenttia, ei prosenttiyksikköä) verrattuna tämän hetken parhaisiin vastaaviin moottoreihin, niin rahaa on luvassa sen verran, että kyllä sillä viulunkin ostat
Tämä tosin edellyttäisi parempaa hyötysuhdetta kuin carnot'n prosessin teoreettinen hyötysuhde, joten haasteita on luvassa.

Säähän se varsinainen vitsinikkari oot

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat