21. Термодинамические процессы сжатия и охлаждения газа в идеальном многоступенчатом компрессоре в t-s диаграмме.

T-S диаграмма сжатия и охлаждения газа в трехступенчатом цилиндре.

q_x- количество теплоты, отобранное холодильником определенной ступени от сжимаемого газа.

q_ц – количество теплоты, отводимое в цилиндре определенной ступени при сжатии газа.

q_x=С_р(Т₂-Т₁);

1-2 – политропное сжатие в цилиндре I-ой ступени.

2-3 – охлаждение газа в холодильнике I-ой ступени при постоянном давлении.

3-4 – политропное сжатие в цилиндре II-ой ступени.

4-5 – охлаждение газа в холодильнике II-ой ступени при постоянном давлении.

5-6 – политропное сжатие в цилиндре III-ой ступени.

6-7 – охлаждение газа в холодильнике III-ой ступени при постоянном давлении.

Если температура газа после каждого холодильника равна исходной, т.е. Т₁=Т₃=Т₅, конечные температуры на выходе из каждой ступени сжатия также одинаковы: Т₂=Т₄=Т₆. Площади 1-2-f-g-1; 3-4-d-e-3; 5-6-b-c-5 равны между собой. Это показывает, что во всех цилиндрах от газа при его сжатии отводится одно и то же количество теплоты. Площади 6-7-a-b-6; 4-5-c-d-4; 2-3-e-f-2 также равны между собой, т.е. в охладителях при изобарном процессе охлаждения также отводится одинаковое количество теплоты на всех ступенях охлаждения.

Если все процессы сжатия идут при одном и том же показателе n, то и степени повышения давления х в каждой ступени компрессора будут одинаковы: х=р₂/р₁= р₄/р₃=р₆/р₅; р₃=р₂; р₅=р₄. Для трехступенчатого компрессора

Если ступеней много, то , где z-количество ступеней.

22.Преимущества многоступенчатого компрессора по сравнению с одноступенчатым

Преимущества многоступенчатого компрессора по сравнению с одноступенчатым:

1)Промежуточное охлаждение газа в холодильниках даёт существенный выигрыш в работе

2)В следствии охлаждения газа в промежуточных холодильниках процесс сжатия приближается к изотермическому как к наиболее экономичному

3)Увеличение числа ступеней снижает конечную температуру газа, что благоприятно сказывается на конструктивных частях компрессора, на смазке, позволяет получить более высокое конечное давление газа по сравнению с одноступенчатым

27. Цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты.

28. Роль форкамеры в цикле двс со смешанным подводом теплоты.

Смешанный цикл

Суть: цилиндр ДВС снабжается специальной форкамерой. В рабочем цилиндре сжимается воздух до температуры, превышающей температуру самовыплавления жидкого топлива, а в форкамеру под высоким давлением впрыскивается жидкое топливо. Благодаря разряжению, которое возникает в форкамере и ее форме, возникает самовоспламенение горячей смеси в форкамере, причем быстрое. Несгоревшая часть смеси поступает в цилиндр двигателя и там догорает в изобарном процессе как у дизеля.

1-2 – адиабатное сжатие воздуха в цилиндре

2-3 – изохорный процесс с подводом теплоты С, соответствующий процессу горения в форкамере

3-4 – изобарный процесс с подводом теплоты q''1 соответствующий процессу горения топлива в цилиндре

4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре

5-1 – Изохорный процесс отвода теплоты q2 , соответствующий выхлопу продуктов сгорания и всасывания новой порции воздуха

Термический КПД такого цикла:

Применив те же методы, получаем конечный вид КПД смешенного цикла:

Степень повышения давления

- предварительное расширение

k- показатель адиабаты

ε- отношение - степень сжатия

У смешенного цикла степень сжатия достигает 18-22.

Полученное выражение является универсальным, если λ=1, ρ=1, то формула описывает цикл с подводом теплоты с постоянным давлением и во 2-ом случае при постоянном объеме.

Анализ полученного выражения показывает, что при адиабатной степени сжатия ε, и одинаковом рабочем теле, КПД цикла Отто будет наибольшим из всех 3-ёх рассматриваемых циклов, причем независимо от начальных условий и количества подведенной теплоты.

Покажем это на T-S диаграмме:

ц. Дизеля l'ц = пл. 1-2'-3-4-1

Отто lцº = пл. 1-2-3-4-1

Смеш. ц. lц = пл. 1-d-С-3-4-1

q2 – пл. а-1-4-b-a

< <

Особенностью рассматриваемого цикла является следующее: в отличие от цикла дизеля, смешанный цикл не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива.

Жидкое топливо вводится в форкамеру при давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из цилиндра. Вместе с тем сохраняется преимущество Дизеля, часть топлива сгорает при p= const.

Рассматривая три цикла внутреннего сгорания, показывают основные недостатки ДВС. Невозможность получить равномерную работу, а следовательно, сосредоточить большую мощность в одном агрегате, устранить этот недостаток могут газовые турбины.

29.Сравнение эффективности циклов ДВС с подводом теплоты при p=const и v=const с циклом со смешанным подводом теплоты в T-S диаграмме

Выражение

е ,где λ= p₃ /p₂ -степень повышения давления; ρ=v₁/ v₂= v₁/ v₃ - степень предварительного расширения; k-показатель адиабаты; ε=v₁/v₂- степень сжатия

показывает, что при одинаковой степени сжатия ε и одинаковой работе КПД цикл Отто наибольшим из всех 3-х рассматриваемых циклов. Не зависимо от начальных условий и кол-во подведенной теплоты. Покажем это па T-S диаграмме

T

T ₃ 2^’ c 3

d 4

2

T ₁ 1 q₂

s

a b

Цикл Дизеля: L^Д_ц=пл.1-2^’-3-4-1

Цикл Отто: L^o_ц=пл.1-2-3-4-1

Смешанный цикл: L^см=пл.1-d-c-3-4-1

q₂=пл.а-1-4-b-а

ŋ_t^Д <ŋ_t^см <ŋ_t^о

Особенности рассматриваемого цикла: в отличие от цикла Дизеля смешенный цикл не нуждается в наличие компрессора для распыления жидкого топлива. Здесь оно, вводимое в камеру при давлении, распыляется струёй сжатого воздуха поступающего из цилиндра. Вместе с тем сохраняется преимущества Дизеля: часть топлива сгорает при p=const. Все рассматриваемые 3 цикла ДВС показывают их основные недостатки: наличие кривошипношатурного механизма и маховика т. е. невозможно получить равномерную работу, а следовательно сосредоточить большую мощность в одном агрегате и устранить это могут газовые турбины.

30. Цикл газотурбинных установок (ГТУ) с подводом теплоты при р=const без регенерации.

1. ГТУ – устройство, в котором потенциальная энергия нагретого и сжатого газа (пара) при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на вращающемся валу.

2. ГТУ – теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива, а рабочим двигателем является газовая турбина.

Рассмотрим цикл ГТУ с подводом теплоты в изобарном процессе (цикл Брайта) без регенерации.

1 -компрессор; 2-камера сгорания; 3-газовая турбина; 4-потребитель энергии (электрогенератор); 5-топливный насос

Воздух поступает в компрессор (1), где сжимается от р₁ до р₂ с изменением температуры от t₁ до t₂ (адиабатное сжатие 1-2). Степень повышения давления β=р₂/р₁ зависит от нескольких факторов: конструкции двигателя, максимальной температуры продуктов сгорания t₃ и КПД компрессора и турбины.

Сжатый воздух поступает в камеру сгорания (2), куда с помощью топливного насоса (5) подается жидкое топливо. В камере (2) топливо через форсунки под давлением соединяется со сжатым воздухом. Горючая смесь возгорается от электрической свечи в камере сгорания. Изобарный процесс 2-3 с подводом теплоты q₁ соответствует горению топлива в камере (2).

Температура газа в зоне горения достигает 2300К и представляет опасность для лопаток газовой турбины, т.к. затем продукты сгорания направляются из камеры (2) в турбину (3), где происходит адиабатное расширение 3-4. Совершается работа (вращается рабочее колесо). Часть работы расходуется на привод компрессора (заштрихованная часть на диаграмме). Остальная часть (полезная) передается потребителю (4).

После выхода из турбины осуществляется отвод теплоты q₂ и выхлоп в атмосферу в изобарном процессе 4-1.

Термический КПД такого цикла: .

Используя зависимость температуры от давления для адиабатного процесса получим где β=р₂/р₁ – степень повышения давления.

Полученное выражение показывает, что термический КПД рассмотренной ГТУ с ростом β увеличивается.

31. Цикл ГТУ с подводом теплоты при p=const с регенерацией.

Поскольку температура отработавших в турбине газов t₄ выше температуры воздуха сжатия в компрессоре t₂, то появляется возможность уменьшения теплоты , осуществленная путем регенеративного подогрева воздуха. Это осуществляется путем регенеративного цикла ГТУ с поводом теплоты в изобарном процессе с регенарацией.

1 -компрессор;2-камера сгорания; 3-газовая турбина; 4-потребитель энергии (электрогенератор); 5-топливный насос; 6-регенератор теплообменник

1 -2 – процесс сжатия воздуха в компрессоре

2-3 – изобарный подогрев воздуха в теплообменнике регенератора

3-4 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания 2 за счет сгорания топлва

4-5 – процесс адиабатного расширения в газовой турбине 3

5-6 – изобарное охлаждение воздуха(выхлопных газов в регенераторе)

6-1 – условный изобарный процесс (дополнительное охлаждение вне теплообменника)

Определяем термический КПД:

Если воспользоваться уравнением адиабаты 1-2 и 4-5 и некоторыми введенными характеристиками:

- степень предварительного расширения

- степень предварительного повышения давления

- степень регенерации

Термический КПД зависит от природы газа, от степени предварительного расширения, от степени повышения давления и степени регенерации. Причем регенерация увеличивает термический КПД, предельно возможная регенерация имеет место при T₃= T₅

Пл с-6-5-d-c=q₂ – теплота которая в обменнике-регенераторе ушла на нагрев воздуха в регенераторе

Пл a-2-3-b-a=q₁ – теплота которую воздух воспринял от отработавших в турбине газов

При T₃= T₅ в регенерации отводиться не вся теплота, которую дает отработавший в турбине гази не смотря на это термический КПД газа турбиной установки с регенерацией выше, чем у газотурбинной установки без регенерации, кроме того важным преимуществом рассмотренного цикла является снижения температуры продуктов сгорания, поступающих на лопатки турбины.

Существуют ГТУ с изохорным тепловым процессом (V=const) . Однако: 1. Такие установки сложны в конструкционном плане. 2. Топливо при поступает в двигатель внутреннего сгорания порциями.