10.4 .Шляхи підвищення ефективності псу
Для того, щоб збільшити термічний ККД циклу Ренкіна використовують перегрівання пари в спеціальному пристрої — пароперегрівачі, в якому пара нагрівається до температури, яка перевищує температуру насичення при даному тиску р1.
11. Теплові машини. Класифікація теплових машин
Всі теплові машини поділяються на: двигуни внутрішнього згорання; газотурбінні установки; реактивні двигуни.
Дамо короткий термодинамічний аналіз даних теплових машин. Як видно із самої назви, двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) представляють собою таку теплову машину, в якій підведення теплоти до робочого тіла здійснюється за рахунок згоряння палива всередині самого двигуна. Робочим тілом в таких двигунах є на першому етапі повітря із паливом, яке легко спалахує, а на другому етапі – продукти згоряння цього рідкого або газоподібного палива (бензин, гас, солярове масло та ін.). В газових двигунах тиски робочого тіла не дуже високі і температури його набагато перевищують критичні, що дозволяє з достатнім наближенням розглядати робоче тіло як ідеальний газ і це суттєво спрощує термодинамічний аналіз циклу.
ДВЗ має дві суттєві переваги порівняно з іншими типами теплових двигунів. Теплові двигуни –безперервно діючі системи, що здійснюють кругові процеси (цикли), в яких теплота перетворюється в роботу.
По–перше – завдяки тому, що у ДВЗ гаряче джерело теплоти (ГДТ) знаходиться ніби всередині самого двигуна, відпадає необхідність у великих теплообмінних поверхнях, через які здійснюється підведення теплоти від ГДТ до робочого тіла. Це призводить до більшої компактності ДВЗ, в порівнянні, наприклад, з паросиловими установками (ПСУ). Друга перевага ДВЗ полягає в наступному. В тих теплових двигунах (ТД),в яких підведення теплоти до робочого тіла здійснюється від зовнішнього ГДТ, верхня межа температури робочого тіла в циклі обмежується значенням температури, яка допускається для даних конструктивних матеріалів (так, наприклад, підвищення температури водяної пари в паротурбінних установках (ПТУ) лімітується властивостями сталей, із яких виготовляються елементи парового котла і парової турбіни, – із зростанням температури, як відомо, знижується межа міцності матеріалу). В ДВЗ граничне значення температури робочого тіла може значно перевищувати цю межу, так як стінки циліндра і головки блоку циліндрів мають вимушене охолодження, що дозволяє розширити температурні межі циклу і тим самим підвищити його температурний ККД ДВЗ (поршневого типу) широко використовується в техніці (в автомашинах, тракторах, літаках старих типів і т.д.).
В реальних циклах робоче тіло за своїми властивостями відрізняється від ідеального газу з постійною теплоємкістю; внаслідок неминучого тертя процеси адіабатного стиснення та розширення проходять не по ізоентропії, а із зростанням ентропії; примусове охолодження стінок циліндра ще сильніше збільшує відхилення цих процесів від ізоентропійних; згоряння проходить за малі, але все ж таки кінечні проміжки часу, на протязі яких поршень встигає дещо переміститися, так що умови ізохорності згоряння виконується не зовсім строго; мають місце енергетичні втрати в механізмі і т.д.
Тому при переході від термодинамічних циклів до реальних необхідно вводити внутрішній відносний ККД двигуна, величина якого визначається експериментально при випробовуваннях останнього.
Другим типом ДВЗ є газова турбіна установка - (ГТУ). Маючи високий термічний ККД і володіючи при цьому всіма перевагами ротаційного двигуна, тобто можливістю зосередження великих потужностей в малогабаритних установках, газова турбіна є досить перспективним двигуном. Обмежене використання газових турбін у високо економічних енергетичних установках в даний час пояснюється в основному тим, що із-за недостатньої жаростійкості сучасних конструкційних матеріалів турбіна може надійно працювати в області температур, значно нижчих, ніж ДВЗ поршневого типу, що приводить до зниження термічного ККД установки. В наш час газові турбіни використовують в авіації, на кораблях – морських транспортних засобах, на залізничному транспорті і поступово впроваджуються в енергетику. Для підвищення термічного ККД ГТУ доцільне введення ступінчастого спалювання палива і ступінчастого охолодження робочого тіла, яке стискають.
Реактивний двигун (РД) являє собою пристрій, в якому хімічна енергія палива перетворюється в кінетичну енергію струмини робочої речовини (газу), який розширюється в соплах. Ця струмина створює силу тяги за рахунок реактивної дії робочого тіла, що витікає із двигуна в сторону, протилежну напрямку руху літаючого апарата.
РД поділяються на дві основні категорії – ракетні двигуни та повітряно-реактивні двигуни. Ракета несе на борту запас як палива, так і окиснювача, необхідного для згоряння палива (рідкий кисень, озон, перекис водню, азотна кислота та ін.). На відміну від них повітряно-реактивні двигуни (ПРД) несуть на борту тільки запас палива, а як окиснювач використовують кисень атмосферного повітря. Отже, ПРД придатні до роботи тільки в атмосфері Землі, тоді як ракетні двигуни можуть працювати як в атмосфері, так і в космічному просторі.
За принципом дії ПРД поділяються на компресорні та безкомпресорні.
Ракетні двигуни поділяються на двигуни з хімічним паливом та ядерні ракетні двигуни. Двигуни з хімічним паливом в свою чергу поділяються на дві основні групи – ракетні двигуни з твердим паливом РДТП та рідинні ракетні двигуни (РРД). Ядерні ракетні двигуни до цього часу не створені, але можливість їх створення широко дискутується літературі. Можлива схема ЯРД показана на рис. 11.1.
Робоче тіло, що знаходиться в рідкому стані в місткості 1, з допомогою насоса 2 прокачується через активну зону ядерного реактора 3, в якій до нього підводиться тепло. Процес підведення теплоти в реакторі проходить при постійному тиску робочого тіла. Із реактора робоче тіло в газоподібному стані подається в сопло 4, в якому розширюється і потім витікає в навколишнє середовище. Із сказаного ясно, що з термодинамічної точки зору цикл ЯРД аналогічний до циклу РРД; отже термічний ККД циклу ЯРД, як і циклу РРД визначається за одними і тими ж рівняннями.
Рис. 11.1. Принципова схема ядерного ракетного двигуна: 1-бак для палива; 2- насос; 3-активна зона ядерного реактора; 4-сопло
Важливо відмітити, що на відміну від ПРД і ракетних двигунів, що працюють на хімічному паливі, в ЯРД робоче тіло не є продуктом згоряння палива. Отже, робоче тіло для ЯРД може бути вибране із міркувань найбільшої термодинамічної доцільності. Найвигіднішим робочим тілом для ЯРД є речовини із малою молекулярною вагою , так як вони забезпечують найбільшу швидкість витікання струмини із сопла. Найперспективнішим робочим тілом є водень Н2 (m = 2), який при високих температурах в камері “згоряння” ЯРД дисоціює на атомарний водень (m = 1). Поряд із воднем в якості можливих робочих тіл ЯРД розглядаються гелій, водяна пара, водневі сполуки легких елементів. Необхідно відмітити, що хоча тяга ядерних ракетних двигунів невелика в порівнянні із тягою хімічних реактивних двигунів, ЯРД можуть працювати на протязі значно більшого часу (на багато порядків), ніж ракетні двигуни з хімічним паливом. Тому ЯРД є досить перспективним типом двигуна для керованих міжпланетних кораблів. Для старту такого корабля із Землі, напевно, повинні бути використані двигуни із хімічним паливом, а ЯРД використовується для подолання земного тяжіння.