10.2 Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Для исключения эксергетических потерь в тепловой машине вследствии

необратимости теплообмена с горячим источником, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы, получающиеся при сгорании топлива.

Это оказалось возможным осуществить в ДВС. Топливо сжигается непосредственно в цилиндре. Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатического сжатия рабочего тела в цилиндре, изохорного или изобарного подвода теплоты, адиабатного расширения и изохорного отвода теплоты.

В реальных двигателях подвод теплоты осуществляется сжиганием топлива в цилиндре. При мгновенном сжигании топлива процесс подвода теплоты можно рассматривать как изохорный. Если топливо и воздушная смесь подаются раздельно, т.е. вначале сжимается воздух, а потом впрыскивается топливо, то можно так отрегулировать подачу топлива, что давление в цилиндре будет постоянным и такой процесс подвода теплоты изобарным.

Рис. 10.2. Циклы ДВС: а- в р, v – координатах; б- в Т, s-координатах.

Чтобы цилиндр не был очень длинным, а ход поршня большим, адиабатное расширение 3-4 или 7-4 осуществляется не до давления р1, а до большей величины, при этом избыточное давление (р4- р1) теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяют изохорным отводом теплоты 4-1. Для идеального цикла отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания есть степень сжатия . (10.3.) Эта величина является основным параметром определяющим термический к.п.д. ДВС. Рассмотрим представленный рисунок. При более высокой степени сжатие выше температура, следовательно, изохора пойдёт выше 2 3 и соответственно

Отсюда больше цикле

Термический к.п.д. цикла ДВС увеличивается с ростом степени сжатия

Зависимость можно получить следующим образом. Рассмотрим цикл с на нашей диаграмме в При

Для адиабатного процесса известна зависимость При одинаковых показателях адиабатного расширения и сжатия имеем следующую зависимость Тогда для рассматриваемого цикла (10.4)

Рис. 10.3. Изменение термического к.п.д. ДВС с подводом теплоты при в зависимости от степени сжатия при различных значениях показателя адиабаты.

Увеличение к.п.д. ДВС с ростом степени сжатия объясняется тем, что растёт температура рабочего тела в цикле и соответственно уменьшаются потери эксергии.

Для ДВС для дизелей возможно достичь при одинаковых степенях сжатия ДВС с изохорным процессом подвода теплоты предпочтительнее дизеля. Это объясняется тем, что при одинаковых потерях в окружающую среду (т.е. теплота отданная холодному источнику), подведённое количество теплоты больше при изохорном процессе (это видно из диаграммы).

Достаточно велики потери эксергии из-за недорасширения газов до параметров окружающей срды. Эти потери удаётся сократить на газотурбинных установках.

10.3. Циклы газотурбинных установок.

Схему газотурбинной установки можно представить на рис.10.4.

Рис. 10.4. Схема газотурбинной установки.

Работа установки осуществляется следующим образом: компрессор сжимает воздух и подаёт его в камеру сгорания (С) куда подаётся насосом топливо. В камере осуществляется процесс горения. Продукты сгорания при давлении соответствующем давлению воздуха после компрессора за исключением потерь по контуру, поступают в газовую турбину, которая сидит на одном валу с генератором и компрессором. Таким образом, в результате на шинах генератора появляется электрический ток, поступающий в сеть.

Цикл Карно здесь неприменим,

- во-первых, в \том цикле большая доля мощности турбины потреблялась бы компрессором, что резко снизило бы эффективность установки при наличии потерь на трение в этих агрегатах;

- во-вторых, технически трудно создать агрегаты, в которых подвод и отвод теплоты осуществлялся бы изотермически.

На практике сгорание топлива в ГТУ заменяется изобарным подводом теплоты, а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания, изобарным отводом теплоты. Процессы, происходящие в газовой турбине, можно представить в координатах на диаграммах (см. рис. 10.5).

Рис. 10.5. Цикл газотурбинной установки:

Полезная работа в цикле изображается в координатах площадью, заключённой в контуре 1-2-3-4. При этом полезная работа есть разность между технической работой в турбине (площадь 6-3-4-5) и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-5). Площадь цикла 1234 в диаграмме эквивалентна этой же полезной работе. Подведена теплота 8237, отведена 8147, разница между этими площадями даёт количество теплоты, превращаемой в работу.

Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ

теплоёмкость принята для простоты постоянной. Одной из основных характеристик цикла ГТУ является степень повышения давления в компрессоре , равная отношению давлений воздуха после компрессора к давлению перед ним . Выразим отношение температур в формуле (10.5) через степень повышения давления из уравнения адиабаты:

Поскольку

Из 10.5 получим после подстановки:

Термический к.п.д. ГТУ возрастает с увеличением это связано с ростом температуры газов перед турбиной. С увеличением эксергия возрастает, поскольку

.

Потери эксергии уменьшаются при сгорании топлива, так как эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания). Это и увеличивает к.п.д. цикла.

Потери эксергии с уходящими газами могут доходить до 10%.