
- •Содержание
- •Введение
- •Требования к выполнению домашнего задания по расчету термодинамических циклов тепловых двигателей
- •Основные понятия и расчетные соотношения
- •Первое начало термодинамики
- •Термодинамические процессы изменения состояния
- •Круговые процессы (циклы)
- •Второе начало термодинамики
- •Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •Термодинамические циклы газотурбинных установок
- •Пример расчета термодинамического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания
- •Пример расчета термодинамического цикла газотурбинной установки
- •Контрольные вопросы
- •Литература
Пример расчета термодинамического цикла газотурбинной установки
Рассчитать термодинамический цикл газотурбинной установки (рис. 7), если рабочим телом является 1 кг смеси идеальных газов следующего состава:
кислород
–
;
азот
–
;
углекислый газ
–
;
водяные пары
–
.
Рис. 7. Термодинамический цикл ГТУ
с изобарным подводом теплоты
Процессы
сжатия и расширения в цикле политропные.
Показатель политропы в процессе сжатия
(1-2) равен
,
а в процессе расширения (3-4) –
.
Температура и давление рабочего тела
на входе в осевой компрессор равны
соответственно
и
.
Кроме того, заданы степень повышения
давления в осевом компрессоре
,
степень предварительного расширения
в камере сгорания
и расход рабочего тела
.
Определить:
Значения параметров и функций состояния в характерных точках цикла
Изменения функций состояния (
), значения удельных термодинамической
и потенциальной
работ и теплообмена
во всех процессах цикла.
Работу цикла
, его термический КПД
и КПД цикла Карно
, осуществляемого в том же интервале температур.
Теоретическую мощность ГТУ при заданном расходе рабочего тела
.
Как измениться термический КПД цикла
и его термодинамическое совершенство, если в осевом компрессоре будет происходить изотермический процесс сжатия.
Изобразить
цикл в координатах
и
.
Так как алгоритм расчета термодинамических циклов ГТУ и поршневых ДВС практически аналогичен, то предлагаемый пример расчета изложен без отдельных пояснений, которые можно найти в предыдущем разделе.
1. Характеристики рабочего тела:
средняя молекулярная масса
,
газовая постоянная
,
теплоемкости
компонентов смеси
при
(Приложение. Табл. 2) [3]:
;
;
;
,
средняя удельная изобарная теплоемкость
средняя удельная изохорная теплоемкость
,
показатель адиабаты смеси идеальных газов
.
2. Термодинамические параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла (рис. 7).
Точка 1.
.
Точка 2.
;
;
;
.
Точка 3.
;
;
;
.
Точка 4.
;
;
;
.
Результаты расчета заносятся в таблицу 3.
Таблица 3
Значения параметров и функций состояния в характерных точках цикла
Номер точки |
|
|
|
|
|
|
|
1 2 3 4 |
0,098 0,49 0,49 0,098 |
0,838 0,255 0,472 1,583 |
15 165,3 538,2 271,1 |
288 438,3 811,2 544,1 |
215,1 327,4 606,0 406,4 |
297,2 452,3 837,2 561,5 |
0,063 0,038 0,673 0,720 |
3. Значения функций состояния в характерных точках цикла:
- внутренняя энергия
;
- энтальпия
;
- энтропия
,
где
– индекс точки цикла, в которой
рассчитывается значение функции
состояния,
,
.
Полученные результаты также заносятся в таблицу 3.
4. Изменения функций состояния во всех процессах цикла определяются по соотношению
,
где
;
– функция состояния в начальной точке
процесса;
– функция состояния в конечной точке
процесса.
Полученные результаты заносятся в таблицу 4.
Таблица 4
Изменение функций процесса и состояния в процессах цикла
Процесс |
|
|
|
|
|
|
1-2 2-3 3-4 4-1 |
112,3 278,6 –199,6 –191,3 |
155,1 384,9 –275,7 –264,3 |
–122,0 106,3 231,3 –73,0 |
–164,7 0 307,6 0 |
–10,2 384,9 31,5 –264,3 |
–0,025 0,635 0,047 –0,657 |
|
0 |
0 |
142,6 |
142,9 |
141,5 |
0 |
5.
Удельные
термодинамическая
,потенциальная
работы
и теплообмен
во всех процессах цикла.
Процесс 1–2 – политропное сжатие.
;
;
;
.
Процесс 2–3 – изобарный подвод теплоты.
;
;
.
Процесс 3–4 – политропное расширение.
;
;
;
.
Процесс 4–1 – изобарный отвод теплоты
;
;
.
Результаты вычислений заносятся в таблицу 4.
Проверка полученных результатов, проведенная по первому началу термодинамики для каждого процесса и цикла, показывает, что максимальная относительная погрешность проведенных расчетов не превышает 1%. Такая точность вполне удовлетворительна. Наличие же погрешности в вычислениях связано с проводимыми округлениями в расчетах.
6.
Работа цикла
,термический
КПД цикла
иКПД цикла
Карно
;
или
;
;
или
.
7.
Цикл ГТУ в координатах
и
(рис. 8).
Рис. 8. Термодинамический цикл ГТУ
с изобарным подводом теплоты
Координаты промежуточных точек в процессах цикла.
Промежуточная
точка
в процессе 1-2:
;
.
Промежуточная
точка
в процессе 3-4:
;
.
Промежуточная
точка
в процессе 1-2:
;
;
.
Промежуточная
точка
в процессе 2-3:
;
;
.
Промежуточная
точка
в процессе изобарного подвода теплоты
3-4:
;
;
.
Промежуточная
точка
в процессе 4-1:
;
;
8.
Рис. 9. Схема ГТУ
1 – осевой компрессор, 2 – камера сгорания,
3 – турбина, 4 – нагнетатель
9. Теоретическая мощность ГТУ
.
10. Расчет термодинамического цикла ГТУ с изотермическим сжатием рабочего тела в осевом компрессоре.
Процесс 1–2′ – изотермическое сжатие:
;
;
.
Процесс 2′–3′ – изобарный подвод теплоты:
;
;
;
.
Процесс 3′–4′ – политропное расширение:
;
;
;
;
.
Процесс 4′–1 – изобарный отвод теплоты:
;
.
Работа цикла
.
Количество теплоты, подводимое к рабочему телу в цикле
.
Термический КПД цикла
или
.
Термический КПД цикла Карно
или
.
11. Термодинамическое совершенство цикла определяется при сопоставлении его термического КПД с КПД цикла Карно. Для цикла с политропным сжатием так называемый коэффициент заполнения равен
,
а для цикла с изотермическим сжатием рабочего тела в осевом компрессоре –
.
Следовательно, термодинамический цикл с изотермическим сжатием рабочего тела термодинамически более совершенен, чем цикл с политропным сжатием, хотя последний имеет более высокий КПД.