Добавил:
ac3402546@gmail.com Направление обучения: транспортировка нефти, газа и нефтепродуктов группа ВН (Вечерняя форма обучения) Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Термодинамика и теплопередача в технологических процессах нефтяной и газовой промылшенности

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
01.06.2021
Размер:
7.08 Mб
Скачать

Термодинамика в технологических процессах…

91

тавалась неизменной, практически трудно осуществима. Изотермический процесс сжатия является как бы эталонным, к которому стремятся приблизить реальный процесс сжатия газа в компрессорах.

Термодинамический процесс многоступенчатого компрессора

При высоких степенях сжатия газа в одноступенчатом компрессоре в конце процесса температура газа достигает весьма высокого значения, что нежелательно, в частности, из-за опасности воспламенения масла в системе смазки. Поэтому для получения газа высокого давления используют многоступенчатые компрессоры, представляющие собой несколько последовательно соединенных одноступенчатых компрессоров.

Между отдельными ступенями устанавливают теплообменники, обеспечивающие охлаждение газа, сжатого в предыдущей ступени (рисунок 1.32).

Рис. 1.32. Схема двухступенчатого компрессора:

1 первая ступень сжатия (компрессор низкого давления);

2 промежуточный холодильник; 3 вторая ступень сжатия (компрессор высокого давления)

Газ при давлении р1 через впускной клапан поступает в компрессор низкого давления (1), где сжимается политропно по линии 12 с некоторым отводом теплоты через стенки компрессора (рисунок 1.33а). Сжатый газ поступает в холодильник (2), где, проходя по змеевику, он охлаждается проточной водой до первоначальной температуры Т1 (22') и входит в компрессор высокого давления (3). Здесь газ вновь сжимается с некоторым отводом теплоты (2'–3) и подается в нагнетательную линию.

Промежуточное охлаждение газа в холодильнике дает существенный выигрыш

вработе, измеряемой площадью 2-2'-3-3' в координатах рv (рисунок 1.33а). Теплота, отданная газом в холодильнике, определяется площадью 2-2'-с-b

вкоординатах Тs (рисунок 1.33б).

Для получения наименьшей работы сжатия при проектировании многоступенчатых компрессоров стремятся, во-первых, обеспечить равенство температур газа на входе во все ступени компрессора и, во-вторых, обеспечить равенство работ сжатия по всем ступеням компрессора. Последнее условие можно выполнить, если степень повышения давления каждой ступени компрессора одинакова.

92

Часть 1

а

б

Рис. 1.33. Диаграмма сжатия газа в двухступенчатом компрессоре в координатах p-v (а) и T-s (б)

Под степенью повышения давления понимается отношение давления газа на выходе из ступени к давлению на входе в ступень, т. е.

π = p2 p1 .

(1.301)

Если в компрессоре не две, а т ступеней, то распределение давлений между ступенями идеального компрессора должно отвечать условию

π = π

2

= ... = π

m

= m

π

.

(1.302)

1

 

 

 

 

 

Таким образом, зная начальное рн, и конечное рк давления газа в компрессоре, можно определить общее соотношение давлений сжатия π = рк / рн и под-

считать давления сжатия по ступеням. Затем по уравнению подсчитать работу сжатия в каждой ступени и, просуммировав работы сжатия по ступеням, определить общую работу сжатия по компрессору в целом.

Чем больше ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением рабочего тела, тем ближе процесс приближается к изотермическому и тем сложнее и дороже компрессор.

1.11. Циклы двигателей внутреннего сгорания

Термодинамические циклы тепловых газовых двигателей имеют следующие особенности:

все процессы являются обратимыми и протекают с одним и тем же количеством рабочего тела;

химический состав рабочего тела постоянен;

процессы сжатия и расширения рабочего тела являются адиабатными;

Термодинамика в технологических процессах…

93

подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от горячего источника;

теплота от рабочего тела передается к холодному источнику;

теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры;

рабочее тело – идеальный газ.

Характеристиками термодинамических циклов тепловых двигателей являются:

степень сжатия;

степень повышения давления;

степень предварительного расширения;

соотношение давлений сжатия.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Анализ круговых процессов показывает, что термический КПД цикла – основная характеристика эффективности двигателя, зависит от средней температуры рабочего тела в процессе подвода теплоты. Поэтому в качестве рабочего тела в двигателе используются продукты сгорания, полученные при сжигании жидкого или газообразного топлива. Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых топливовоздушная смесь сжигается в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень.

Несмотря на то, что цикл Карно имеет наивысший КПД, в реальных машинах он не реализуется. Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно растянутым в координатах рv, связан с весьма большими значениями удельного объема и давления (рисунок 1.34).

Отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания Vc /Va = vc/va (эта

величина в поршневых ДВС называется степенью сжатия ε ), работающего по циклу Карно, достигает 400, а давление в точке а p = 280 – 300 МПа. Дви-

гатель с такими параметрами нереален, ибо давление в цилиндрах современных ДВС редко превышает 10 МПа, а степень сжатия 18–22. Кроме того, работа, совершаемая в цикле Карно, очень мала и двигатель практически будет работать только для самообслуживания (на себя).

Рис. 1.34. Цикл Карно в координатах p-v

94

Часть 1

Для снижения давления в точке а и степени сжатия цикл видоизменяют: отвод теплоты осуществляют не по изотерме с d, а по изохоре c1 d; подвод теплоты осуществляют не по изотерме ab, а по изохоре a1 – b или по изобаре a2 – b.

Всоответствии с этими изменениями, из цикла Карно, как эталонного, получают два простых термодинамических цикла ДВС: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме – цикл Отто, состоящий из двух изохор и двух адиабат

(a1-b-c1-d-a1) и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении – цикл Дизеля, состоящий из изобары a2–b, изохоры с1d и двух адиабат bc1 и da2 (a2-b-c1- d- a2) (рисунок 1.34).

Полученные циклы имеют термические КПД меньше, чем КПД цикла Карно. Однако, двигатели, которые работают по этим циклам, характеризуются меньшими потерями на трение и реально имеют больше КПД.

Работа поршневых ДВС обычно оценивается с помощью индикаторной диаграммы, которая показывает взаимосвязь давления и объема в цилиндре двигателя при движении поршня.

При движении поршня от внутренней мертвой точки М1 к наружной мертвой точке М2 (рисунок 1.35) клапан I открывается и в цилиндр двигателя засасывается заранее приготовленная в устройствах двигателя смесь воздуха и топлива (в

бензиновых и газовых двигателях) при давлении р1 (линия 0а).

При движении поршня в обратном направлении клапаны I и II закрыты и

смесь сжимается по адиабате а b до давления р2. Объем уменьшается до V0, равного объему камеры сгорания цилиндра.

Вточке M1 происходит воспламенение смеси от электрического разряда и, поскольку рабочая смесь уже заранее подготовлена и хорошо перемешана, она сгорает достаточно быстро и теоретически при постоянном объеме. Цикл Отто иногда называют циклом быстрого сгорания.

Рис. 1.35. Теоретическая диаграмма цикла Отто

Термодинамика в технологических процессах…

95

Выделившаяся теплота продуктов сгорания при v = idem вызывает резкое повышение давления и температуры в цилиндре bс. Образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются сd, совершая полезную работу. В точке М2 открывается выхлопной клапан II и продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Считают, что теоретически выхлоп осуществляется в процессе dа.

Оставшиеся в цилиндре двигателя газы при атмосферном давлении р1 выталкиваются поршнем в атмосферу, когда он идет от точки М2 до точки М1 (а0). Затем цикл повторяется.

Замкнутый контур a-b-с-d-а теоретически характеризует работу двигателя за один цикл при сгорании одной порции топлива.

Эффективность циклов ДВС и факторов, влияющих на работу двигателей, удобно и наглядно оценивать в координатах p-v, ТS (рисунок 1.36) на базе анализа работы термодинамических циклов тепловых двигателей, хотя реальные двигатели и не работают по таким циклам.

Процесс 1–2 в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс 2–3изохорный подвод теплоты q1, процесс 3–4 – адиабатное расширение и процесс 4–1 – изохорный отвод теплоты q2.

Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты lц = q1 q2 и численно равна площади (1-2-3-4-1).

Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чем выше степень сжатия, тем выше КПД цикла.

Действительно, если в цикле Отто сжатие вести до точки 2', а подвод теплоты – по изохоре 2'3', то цикл 1-2'-3'-4 будет иметь большую степень сжатия, чем исходный цикл (рисунок 1.36).

Рис. 1.36. Цикл Отто в координатах p-v (а) и T-s (б)

96

Часть 1

При этом увеличивается количество теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле q1 , при неизменном значении количества теплоты, отводимой от рабочего тела в цикле q2 , что приведет к росту работы цикла, а, следовательно, и термического КПД цикла

ηt

= 1

 

 

 

q2

 

 

.

(1.303)

 

 

 

 

 

q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это значит, что КПД цикла Отто растет с увеличением степени сжатия. Однако возможности повышения степени сжатия в цикле Отто в настоящее время практически исчерпаны.

Степень сжатия в таких циклах равна ε = 1012 и дальнейшее ее повышение невозможно из-за самопроизвольного воспламенения топливной смеси на линии сжатия до того, как поршень подойдет к внутренней мертвой точке M1. Самопроизвольное воспламенение топлива возможно из-за чрезмерного повышения температуры смеси в процессе сжатия.

Степень сжатия можно значительно увеличить, если в цилиндре двигателя сжимать не топливовоздушную смесь, а чистый воздух, а необходимое количество топлива вводить в цилиндр в конце процесса сжатия, когда температура воздуха становится уже достаточно высокой ( 500 – 600 ºС), обеспечивая самовоспламенение впрыскиваемого топлива, исключая необходимость иметь запальное устройство.

Подобная реализация процесса наблюдается в идеализированном цикле, который называется циклом Дизеля или циклом медленного сгорания.

Такое название связано с тем, что подача топлива, его испарение, перемешивание с воздухом и сам процесс сгорания требуют определенного времени.

Цикл Дизеля (рисунок 1.37) состоит из процесса адиабатного сжатия 1–2, изобарного подвода теплоты 2–3, адиабатного расширения 3–4 и изохорного отвода теплоты 4–1.

Степень сжатия в двигателях, работающих по циклу Дизеля, составляет

ε= v1 = 14 20 . v2

Сравним теперь эти циклы при одинаковых максимально возможных давлениях в цилиндрах двигателя, что соответствует равенству максимальных температур в конце процесса сгорания топлива, когда общей у них оказывается не точка 2, а точка 3 (циклы 1-2'-3-4 и 1-2-3-4).

Количество отведенной теплоты q2 в сопоставляемых циклах опять одинаково и определяется площадью 1-4-6-5 (рисунок 1.37б).

В этом случае количество теплоты q1, подводимой в цикле Дизеля по изобаре 2–3, будет больше, чем количество теплоты, подводимой в цикле Отто по изохоре 2'–3 и, следовательно, КПД цикла Дизеля, в условиях одинакового максимально возможного давления, больше, чем КПД цикла Отто.

Термодинамика в технологических процессах…

97

а

б

Рис. 1.37. Циклы Отто и Дизеля в координатах p-v (а) и T-s (б)

Подачу топлива можно осуществлять так, что одна его часть будет сгорать при постоянном объеме, а другая – при постоянном давлении. Такой цикл смешанного сгорания топлива называется циклом Тринклера (рисунок 1.38). Из сопоставления рассмотренных циклов видно, что циклы со сгоранием при постоянных объеме и давлении являются частными случаями смешанного цикла.

Из диаграммы (рисунок 1.38) видно, что цикл со смешенным подводом теплоты занимает по эффективности промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля как в условиях сравнения при одинаковой степени сжатия ε, так и при сравнении по условию одинакового максимального давления в цилиндре двигателя.

а

б

Рис. 1.38. Цикл смешанного сгорания в координатах p-v (а) и T-s (б)

98

Часть 1

Выведем уравнение для определения термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты.

Количество подводимой теплоты на изохоре 2–3 равно q1′ = cvm (T3 T2 ) , а в изобарном процессе 3–4: q1′′= cpm (T4 T3 ) . Количество отводимой теплоты q2 на изохоре 5–1 по абсолютной величине составляет q2 = q2 = cvm (T5 T1 ) .

Следовательно, термический КПД цикла, определяемый как отношение полученной работы lц к количеству подведенной теплоты q1, равен

 

lц

 

q1 q2

 

q2

 

 

 

 

q2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cvm (T5 T1 )

ηt =

 

=

 

= 1

 

= 1

q1′ + q1′′= 1

 

 

 

 

.

q1

q1

q1

cvm (T3 T2 )+ cpm (T4 T3 )

Сокращая на сvm и вынося Т1 и Т2 за скобку, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T5

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ηt = 1

T1

 

 

 

 

 

 

 

T1

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

cpm T

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

1

 

 

 

 

4

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T2

 

 

 

 

 

cvm T2

 

T2

 

 

(1.304)

(1.305)

Рассмотрим следующие характеристики цикла: степень повышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре λ = р3/p2 и степень расширения рабочего тела в процессе подвода теплоты по изобаре ρ = v4/v3. С учетом выражения для степени сжатия (ε = v1/v2) и уравнения состояния идеального газа (pv=RT) можно получить следующие соотношения:

T3

=

p3

= λ ;

T4

=

T4

 

T3

=

v4

 

T3

= ρ λ .

(1.306)

T2

p2

T2

T3

T2

v3

T2

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя уравнение адиабаты, соотношения температур Т5/T1 и Т1/T2 можно привести к следующему виду:

T

 

p

 

p vk

 

p vk

 

p

v k

T

v

2

k1

 

 

1

 

5

=

5

=

4

4

;

2

2

=

3

 

4

 

= λ ρk ;

1

=

 

 

=

 

 

. (1.307)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

k 1

T1

 

p1

 

v5

 

 

v1

 

 

p2

v3

 

T2

v1

 

 

 

Подставляя соотношения (1.306) и (1.307) в выражение (1.305), находим термический КПД

ηt =1

1

 

λ ρk 1

.

(1.308)

εk1

(λ −1) + k λ (ρ −1)

 

 

 

 

Термодинамика в технологических процессах…

99

Из уравнения (1.308) видно, что КПД цикла со смешанным подводом теплоты растет с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ.

Если ρ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, термический КПД которого находится из соотношения

ηt = 1

1

.

(1.309)

εk 1

 

 

 

Если λ = 1, то смешанный цикл превращается в цикл Дизеля, термический КПД которого находится из выражения

ηt =1

1

 

ρk 1

 

 

 

.

(1.310)

εk1

k (ρ −1)

Анализ циклов поршневых ДВС позволяет сравнивать их между собой, определять перспективу повышения эффективности циклов, оценивать характер изменения эффективности циклов при изменении внешней нагрузки, степени сжатия и т. д.

1.12. Циклы газотурбинных установок

Газотурбинной установкой (ГТУ) принято называть такой двигатель, где в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина. Термин турбина происходит от латинского слова turbo – волчок.

В отличие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, где процессы сжатия, подвода теплоты и расширения осуществляются в одном и том же цилиндре, в газотурбинных установках эти процессы происходят в различных элементах установки, в которые последовательно попадает поток рабочего тела (рисунок 1.39).

Рис. 1.39. Принципиальная схема газотурбинной установки

Газотурбинная установка простейшей схемы работает следующим образом: наружный воздух поступает на вход компрессора (1), где сжимается по адиабате (1–2) до давления р2 (рисунок 1.40). После сжатия в компрессоре воздух посту-

100

Часть 1

пает в камеру сгорания (2), куда одновременно подается жидкое или газообразное топливо и происходит процесс сгорания при p = idem (2–3).

а

б

Рис. 1.40. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении в координатах p-v (а) и T-s (б)

Образующиеся при сжигании топлива продукты сгорания поступают в газовую турбину (3), где расширяются по адиабате (3–4) практически до атмосферного давления р1. Отработавшие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу (4–1). Работа, получаемая в газовой турбине, частично идет на привод компрессора (большая ее часть, примерно 2/3) и к потребителю (4) (компрессор, насос, генератор электрической энергии и т. п.).

В газотурбинных установках, так же, как и в поршневых двигателях внутреннего сгорания, подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри). В цикле Брайтона теплота подводится в непрерывном потоке сжатого воздуха, а в цикле Гемфри – в камере сгорания специальной конструкции, которая периодически отключается от газовой турбины, что вызывает пульсацию потока рабочего тела. Для снижения пульсаций в ГТУ, работающих по циклу Гемфри, устанавливаются несколько (6–12) камер сгорания. Несмотря на некоторое преимущество (более высокий КПД ГТУ при равной степени повышения давления сжатия в компрессоре), ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме пока не нашли практического применения главным образом из-за сложности конструкции камер сгорания и более низкой надежности.

Коэффициент полезного действия термодинамического цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Брайтона) определяется соотношением

 

l

 

q q

 

q

 

cpm (T4 T1)

 

T T T 1

 

ц

 

1

2

2

 

 

1

 

4

1

 

 

ηt =

 

=

 

 

= 1

 

=1

 

= 1

 

 

 

 

 

. (1.311)

q1

 

q1

q1

cpm (T3 T2 )

T2

T3

T2

1

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.