Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лекция 7

.docx
Скачиваний:
7
Добавлен:
04.11.2022
Размер:
1.66 Mб
Скачать

Лекция №7

Тепловые установки

Термодинамический расчет тепловых машин и установок может показать пути повышения эффективности использования подводимой к ним энергии. Все тепловые машины и установки можно разделить на две большие группы: поршневого типа – двигатели внутреннего сгорания и паровые машины, где преобразование теплоты в работу осуществляется за счет возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре и турбинного типа, где преобразование осуществляется за счет вращательного движения турбины.

7.1. Циклы двигателей внутреннего сгорания

Основным узлом двигателя внутреннего сгорания (ДВС), где протекают термодинамические процессы, является цилиндр 1, имеющий два клапана: впускной Вс и выпускной Вн (рис. 7.1).

В цилиндре находится поршень 2, совершающий возвратно-поступатель-ное движение под действием рабочего тела. Рабочим телом являются продукты сгорания топлива. Топливо представляет собой смесь жидкого или газообразного горючего с воздухом. Смесь сжигается в цилиндре над поршнем.

Все современные поршневые двигатели внутреннего сгорания делятся на три группы:

1) двигатели с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме;

2) двигатели с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении;

3) двигатели со смешанным сгоранием топлива, частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.

Исследование работы реального поршневого двигателя осуществляют по индикаторной диаграмме, на которой изображается изменение давления рабочего тела в цилиндре в зависимости от положения поршня. Рассмотрим такую диаграмму двигателя, работающего с быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме (рис. 7.1).

При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) вправо (линия 0-1) открывается впускной клапан Вс, и в цилиндр поступает горючая смесь. При обратном движении справа налево (процесс 1-2) происходит сжатие горючей смеси. В точке 2 смесь воспламеняется от электрической искры.

В процессе 2-3 происходит почти мгновенное сгорание горючей смеси практически при vconst. При этом температура газа и давление резко увеличиваются (точка 3).

В процессе 3-4 происходит расширение продуктов сгорания (рабочий ход), а на линии 4-0 – удаление продуктов сгорания через выпускной клапан Вн. Линии 0-1 и 4-0 не являются термодинамическими процессами, так как в них параметры не меняются, а меняется только количество вещества.

Как видно, описанный цикл незамкнутый, и в нем имеются все признаки необратимых процессов: трение, химические реакции, теплообмен при конечной разности температур. Такой цикл не поддается термодинамическому анализу, поэтому анализируются и исследуются идеальные обратимые циклы, в которых рабочим телом является 1 кг идеального газа с постоянной теплоемкостью.

Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от внешних источников при бесконечно малой разности температур, а не за счет сгорания топлива.

То же можно сказать об отводе теплоты. Теплота отводится от рабочего тела к внешнему источнику при бесконечно малой разности температур. При этом температуры источников Т1 и Т2 остаются постоянными.

Диаграммы, построенные при этих условиях, называются соответственно идеальным циклом ДВС с подводом теплоты при v = const (рис.7.2), идеальным циклом ДВС с подводом теплоты при p = const (рис.7.3) и идеальным циклом ДВС со смешанным подводом теплоты (рис.7.4).

Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при v = const

Идеальный газ с параметрами p, v, T сжимается по адиабате 1-2 (рис. 7.2).

В точке 2 подключается горячий источник с температурой Т1, и к рабочему телу в изохорном процессе 2-3

подводится теплота q1. В точке 3 источник отключается, и происходит адиабатное расширение 3-4. В точке 4 подключается холодный источник Т2, к которому в изохорном процессе 4-1 от рабочего тела отводится теплота q2.

Характеристики цикла: степень сжатия и степень повышения давления .

Термический КПД цикла: .

Подведенная теплота .

Отведенная теплота или ;

(7.1)

Определяем температуры во всех характерных точках цикла,

считая, что в точке 1 температура Т1 известна:

в адиабатном процессе 1-2

,

температура в точке 2: ;

- в изохорном процессе 2-3 ,

температура в точке 3: ;

- в адиабатном процессе 3-4

температура в точке 4 .

Подставим найденные значения температур в уравнение термического КПД (7.1):

, .

Таким образом, термический КПД  цикла с подводом теплоты при υ = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты, то есть от свойств рабочего тела. Чем больше и к, тем больше КПД.

Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при p = const

В двигателях с подводом теплоты при v = const КПД растет с увеличением степени сжатия Но при больших степенях сжатия происходит самовоспламенение горючей смеси, нарушающее нормальную работу двигателя, а также детонация (взрывное горение), которая резко снижает экономичность двигателя и может привести к поломке его деталей.

В

а

б

Рис. 7.3. Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты

при p = const

двигателях с подводом теплоты при p = const
(рис. 7.3) можно создавать высокую степень сжатия до  = 20, так как применяется раздельное сжатие воздуха и топлива. Воздух при больших степенях сжатия нагревается настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без специальных запальных приспособлений. В этих двигателях можно использовать любое жидкое топливо. Конструкцию такого двигателя разработал немецкий инженер Дизель.

В идеальном цикле рабочее тело с параметрами p1, v1, T1 сжимается по адиабате 1-2. В точке 2 подключается горячий источник теплоты, который в изобарном процессе 2-3 отдает рабочему телу теплоту q1. В точке 3 источник отключается, и происходит адиабатное расширение рабочего тела (процесс 3-4). В точке 4 подключается холодный источник, к которому в изохорном процессе 4-1 отводится от рабочего тела теплота q2.

Характеристики цикла: степень сжатия и степень предварительного расширения .

Термический КПД цикла ,

где ,

или

Рассчитываем температуру в характерных точках цикла:

- в точке 1 температура T1 задана;

- в процессе 1-2 .

- в процессе 2-3 .

- в процессе 3-4

.

Подставляем полученные значения температур в уравнение для термического КПД цикла:

.

Из полученного выражения видно, что КПД зависит от , к, . С увеличением и к КПД увеличивается, с увеличением уменьшается.

Недостатком этого двигателя является наличие компрессора, применяемого для подачи топлива в цилиндр, на работу которого тратится 6-10 % от общей мощности. Это усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Лишен этих недостатков бескомпрессорный двигатель со смешанным подводом теплоты.

Идеальный цикл ДВС со смешенным подводом теплоты частично при v = const, частично при p = const.

В этих двигателях нет компрессора для подачи топлива (рис. 7.4). Топливо подается топливным насосом и механически распыляется при давлениях до 5 МПа. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит вначале при постоянном объеме, затем при постоянном давлении.

В идеальном цикле рабочее тело с параметрами p1, v1, T1 сжимается по адиабате 1-2. В точке 2 подключается горячий источник, от которого подводится к рабочему телу теплота , сначала по изохоре 2-3, затем теплота по изобаре 3-4.

В точке 4 источник отключается, и рабочее тело расширяется по адиабате 4-5. В точке 5 рабочее тело подключается к холодному источнику и по изохоре 5-1 отдает ему теплоту q2.

Характеристики цикла: степень сжатия , степень повышения давления и степень предварительного расширения .

Термический КПД цикла

;

;

или ;

.

Температура в характерных точках цикла:

- в точке 1 температура Т1 задана;

- в процессе 1-2

- в процессе 2-3 ;

- в процессе 3-4 .

- в процессе 4-5

Подставим полученные значения температур в уравнение термического КПД цикла:

Из уравнения видно, что с увеличением к, и КПД цикла растет, а с увеличением КПД уменьшается.

7.2. Циклы газотурбинных установок

Основной недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания ограниченность их мощности, связанная с объемом цилиндра.

Эти недостатки отсутствуют у газотурбинных установок (ГТУ), которые состоят из камеры сгорания 1, сопла 2, топливного бака 3 и газовой турбины, имеющей две основные части: вращающийся диск 4 с радиальными лопатками (ротор) и корпус 5 (статор). На общем валу с ротором расположены компрессор 6, топливный насос 7 и потребитель механическйой энергии электрогенератор 8 (рис. 7.5).

Компрессор подает в камеру сгорания сжатый воздух. Одновременно туда же топливным насосом подается топливо (жидкое или газообразное). Образовавшаяся смесь воспламеняется от электрической искры и горит либо при постоянном давлении (ГТУ со сгоранием топлива при p = const), либо при постоянном объеме (ГТУ со сгоранием топлива при v = const).

Из камеры сгорания образовавшиеся газы поступают в сопловый аппарат, расширяются до давления, близкого к атмосферному, и с большой скоростью попадают в канал между лопатками, где и совершается работа вследствие давления газа на вогнутую поверхность лопаток. Давление создает силу, вращающую ротор.

ГТУ имеют относительно малую массу и небольшие габариты. У них нет деталей, совершающих возвратно-поступательные движения, и они могут выполняться с большой единичной мощностью.

Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const

Рабочее тело 1 кг идеального газа с начальными параметрами p1, v1, T1 – сжимается по адиабате 1-2 (рис. 7.6). В точке 2 подключается горячий источник, и к рабочему телу по изобаре 2-3 подводится теплота q1. В точке 3 источник отключается, и рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до давления окружающей среды.

В точке 4 подключается холодный источник, и от рабочего тела по изобаре 4-1 отводится теплота q2.

Характеристики цикла: степень повышения давления и степень изобарного расширения .

а б

Рис. 7.6. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const

Термический КПД цикла

,

где

q1 = сp(T3  T2 ), q2 = сp(T4  T1 ),

.

В точке 1 параметры, в том числе и Т1, заданы. Выразим температуры в остальных точках цикла через известные характеристики и параметры:

- в адиабатном процессе 1-2 ; ;

- в изобарном процессе 2-3 ;

- в адиабатном процессе 3-4 ;

; ; .

С увеличением β и к КПД увеличивается.

В реальных ГТУ процесс сжатия воздуха в компрессоре необратимый, протекает с трением, по условно необратимой адиабате 1-2 (рис. 7.7). Это приводит к увеличению работы сжатия. Теоретическая удельная работа сжатия ,

а действительная – .

Отношение

называется адиабатным КПД компрессора. В настоящее время достигает 0,80,85.

Процесс расширения рабочего тела (газов) в газовой турбине также является необратимым и протекает по условно-необратимой адиабате 3-4.

Теоретическая удельная работа расширения в турбине , а действительная – .

Отношение

называется внутренним относительным КПД газовой турбины. В настоящее время турб. = 0,8  0,9.

Действительная полезная удельная работа газотурбинной установки

.

Отношение lд к количеству затраченной теплоты q называется эффективным КПД газотурбинной установки:

.

Методы повышения КПД ГТУ

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при p = const растет с увеличением степени повышения давления . Но при этом увеличивается и температура в конце сгорания топлива:

.

Это приводит к разрушению лопаток турбины и соплового аппарата, охлаждение которых затруднено. Поэтому можно увеличивать только до определенного предела. С целью повышения КПД установки используют теплоту уходящих газов для предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания (рис. 7.8), так как

Рис. 7.8. Схема ГТУ с регенерацией теплоты

отработавший в турбине газ имеет более высокую температуру, чем воздух. Этот процесс называется регенерацией.

Сжатый в компрессоре 1 воздух подается в теплообменник 2, где подогревается отходящими газами и по трубопроводу 3 подается в камеру сгорания 4. Туда же насосом 5 подается топливо из топливного бака 6.

Идеальный цикл ГТУ с регенерацией теплоты показан на рис. 7.9, где 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 – изобарный подвод теплоты в регенераторе; 5-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 4-6 – изобарный отвод теплоты от отработанных газов в регенераторе; 6-1 – изобарный отвод теплоты от газов после выхода из регенератора.

Если охлаждение отработанных газов в регенераторе происходит до температуры воздуха, поступающего в него, то есть от Т4 до Т6 = Т2, то регенерация полная. Из общего выражения термического КПД ,

Рис. 7.9. Цикл ГТУ с регенерацией теплоты

где

q1 = сp(T3  T5) = сp(T3  T4),

q2 = сp(T6  T1) = сp(T2  T1),

из условий полной регенерации имеем

.

При этом ; ; ,

а .

Термический КПД в случае полной регенерации зависит от начальной температуры газа Т1 и температуры в конце адиабатного расширения Т4. Практически осуществить полную регенерацию невозможно, поэтому термический КПД зависит от степени регенерации, которая определяется из выражения

При неполной регенерации  < 1, а термический КПД

оказывается выше КПД ГТУ без регенерации.

Соседние файлы в предмете Термодинамика