Теоретические основы теплотехники -УКР

Так, наприклад, допускається практично необмежене введення коригувальних і залежностей, що доповнюють. Мається можливість виявити вплив окремих елементів і параметрів двигунів на їхні характеристики. Стає можливим дослідження програм регулювання двигунів, перехідних режимів і ін. Так, наприклад, зараз розрахункові рівняння уточнені з урахуванням значень "мертвих обсягів" циліндрів і "мертвих обсягів" між нагрівачем і регенератором, між охолоджувачем і регенератором. Проводяться розрахунки для інших робочих тіл (H2, Ar, повітря). Оцінюються кількісно різного роду втрати в двигуні й ін.

Серед якісних характеристик варто виділити можливість переходу на розрахунки параметрів двигунів інших схем. Як приклад на плакаті 5 приведені ідентичні за формою представлення результати оптимізації проектованого 8-циліндрового автомобільного двигуна подвійної дії потужністю 160 квт.

Висновок

Проведені і виконувані в даний час дослідження двигунів Стірлінга дозволяють зробити наступні висновки:

1.Запропоновано ізотермічну модель ідеального циклу машин Стірлінга на базі циклу Шмідта, що дозволяє більш повно відобразити співвідношення параметрів і процеси в двигуні.

2.Обґрунтовано методику замкнутої оптимізації параметрів дійсних циклів двигунів, що враховує їхні геометричні характеристики, кінематику, процеси теплообміну і регенерації, гідравлічні і механічні втрати.

3.Розроблено методику, програми розрахунків і оптимізації параметрів двигунів -, - і - модифікацій, з ромбічним механізмом, подвійної дії, що дозволяють визначати їхні основні характеристики на етапі конструювання.

4.Запропоновано нові схеми двигунів Стірлінга, що дозволяють підвищити їхня потужність і економічність.

5.Виявлено можливості двигунів нових схем, проаналізовані їх деякі якісні і кількісні характеристики.

6.Проведено попередні пророблення конструкції транспортного двигуна Стирлинга для вантажного автомобіля.

Надалі передбачається проведення досліджень у наступних напрямках:

1.Виявлення критеріїв оптимізації параметрів двигунів виходячи з особливостей їхньої конструкції, практичного застосування й умов експлуатації.

2.Эксергетический аналіз двигунів і енергетичних установок з метою пошуку шляхів підвищення їхньої ефективності.

3.Розробка методів визначення характеристик двигунів на нерозрахованих режимах і програм їхнього регулювання.

4.Створення розширених моделей транспортних силових установок, теплових насосів, комплексних систем теплопостачання, вентиляції і кондиціонування будинків і споруджень, що дозволяють оптимізувати їхні параметри на етапах проектування.

5.Аналіз якісних і кількісних характеристик двигунів нових схем.

9.ЦИКЛИ ГАЗОТУРБІННИХ УСТАНОВОК

9.1.Загальна характеристика газотурбінних установок

Газотурбінні установки - теплові машини, у яких для одержання корисної роботи використовуються газові турбіни.

Газова турбіна - тепловий турбінний двигун, у лопатковому апараті якого енергія газового потоку перетворюється в механічну енергію обертового вала.

9.2.Основні переваги ГТУ

1.Можливість адіабатного розширення робочого тіла до атмосферного тиску, що підвищує тому що п.д. циклу.

2.Велика одинична потужність установок . В даний час потужність стаціонарних ГТУ досягає 100 тис. КВт (100МВт). Основними напрямками розвитку нашої країни на 1986-90 роки і на період до

2000 року передбачене будівництво газових енергетичних турбін одиничною потужністю до 150тис.квт

3.Невеликі габарити і маса. Питома маса транспортних ГТУ приблизно на порядок

нижче чим питома маса поршневих д.в.с.

4. Відсутність деталей зі зворотно-поступальним рухом і, як наслідок цього, високий механічний і.н.д.

м 0,99

Крім цих переваг ГТУ мають ряд недоліків, роль яких поступово знижується в міру удосконалювання ГТУ. Про їх ми згадаємо пізніше.

9.3. Коротка історія розвитку газотурбінних установок

Перші газові турбіни в Росії були створені в 1897р. інженером Кузьмінським П.Д. Він побудував радіальну відцентрову турбіну зі згорянням палива при постійному тиску .

У1906 - 1908р. інженер Караводін В.В. створив ГТУ зі спалюванням палива при постійному обсязі.

У1939р. професор Харківського політехнічного інституту В.М. Маковський розробив ГТУ потужністю 400 квт, що була побудована на ХТГЗ ім. С.М. Кірова (нині об'єднання Турбоатом) і встановлене в м. Горлівці (Донбас). Як паливо використовувався підземний газ.

Промислове використання ГТУ почалося в 1939р. у СРСР і Швейцарії. Найбільший розвиток і впровадження ГТУ одержали в авіації з кінця 40х років. Пізніше їх стали застосовувати також на судах і локомотивах.

В даний час к. п. д. ГТУ досягає ~ 35%, а окремі експериментальні агрегати й унікальні авіаційні двигуни мають термічний к. п. д. , що досягає 50% .

9.4. Вимоги до конструкційних матеріалів.

Матеріали, що застосовується в турбобудуванні, повинні відповідати наступним вимогам:

1.Висока механічна міцність.

2.Жароміцність і жаростійкість.

3.Хімічна і корозійна стійкість.

4.По можливості низька вартість.

Матеріали повинні забезпечувати термін служби ГТУ до капітального перебирання не менш 100 тис. годин. В даний час термін служби для транспортних установок досягає 2050 тис. годин

1-2 - адіабатний стиск повітря в компресорі; 2-3 - ізохорне підведення тепла;

3-4 - адіабатне розширення продуктів згоряння в турбіні; 4-1 - ізобарний відвід тепла в атмосферу.

9.8. К. к. д. ГТУ з підведенням теплоти при постійному обсязі.

t = 1- K(T1 1/k-T1/T1 k-1/k-T1 k-1/k) = 1-K( 1/k-1/( -1) k-1/k)

t = 1- k( 1/k-1)/ k-1/k( -1)

Т. к. п. д. зростає з ростом ДО, і .

ГТУ з підведенням тепла при постійному обсязі в даний час знаходяться в досвідчених зразків установок через пристрій камери згоряння і низкою жароміцності матеріалів клапанів.

Крім того, для зниження пульсацій тиску в трактах компресора і турбіни необхідно встановлювати ресивери (великі ємності), що знижують рівень цих пульсацій.

При рівних ступенях підвищення тиску і рівних максимальні температурах циклу T3 к. п. д. цикли з підведенням тепла при постійному обсязі вище, ніж к. п. д. циклу з підведенням тепла при постійному тиску тому що T2cp изохорн. < T2cp изобарн.

t изохорн. t изобарн.

При різних ступенях підвищення тиску і рівних максимальних температурах циклу T3 к. п. д. цикли з підведенням тепла при постійному тиску вище, ніж к. п. д. циклу з підведенням тепла при постійному обсязі внаслідок більш високій середньо інтегральній температурі підведення тепла, тобто T1cp изобарн. T1порівн изохорн.

t изобарн. t изохорн.

9.9.Способи підвищення економічності ГТУ

1.Збільшення ступеня підвищення тиску ( ) доцільно здійснювати до розумних меж, тому що збільшується число ступіней компресора, а сумарний к. п. д. компресора падає. Для реальних ГТУ існує оптимальний ступінь підвищення тиску.

У реальних термодинамічних циклах, що враховують к. п. д. компресора і к. п. д. турбіни термічний к. п. д. циклу мають максимум при визначеному значенні ступеня підвищення тиску.

Звичайно компр. = 0,84 - 0,86 для осьових компресорівкомпр. = 0,8 - 0,82 для відцентрових компресорів

турб. = 0,85 - 0,82

У сучасних ГТУ використовується багатоступінчасті, найчастіше багатокаскадні (двох - трьохкаскадні) осьові компресори, що мають ступінь підвищення тиску до 40-50. Осьовий компресор є найбільш складним вузлом ГТУ як з погляду його розрахунку і проектування, так і з погляду складності виробництва. Він споживає до 80% потужності, що розвивається газовою турбіною. Існує приказка серед фахівців ГТУ “Гарний компресор - гарний двигун”.

2. Збільшення температури газу перед турбіною T3 підвищує тому що п.д. ГТУ, але вимагає застосування спеціальних дорогих матеріалів, складний системи охолодження лопаток турбіни. Ресурс ГТУ при цьому істотно знижується. В даний час для стаціонарних ГТУ температура T3 не перевищує звичайно 1150 С.

3. Регенерація теплоти Регенератор являє собою теплообмінний апарат, у якому тепло продуктів згоряння,

що ідуть, передається повітря, стиснутому в компресорі.

Регенерація можлива лише при T4 T2

Для ідеального циклу при повній регенерації

t = 1 - q2/q1 = 1- (T1 k-1/k-T1)/(T4 k-1/k-T4) = 1 - T1/T4

Для реального циклу тому що п.д. завжди менше, тому що повну регенерацію здійснити не можна внаслідок кінцевої різниці температур продуктів згоряння і повітря, що підігрівається, у теплообміннику, а також обмежених розмірів самого теплообмінника.

4. Багатоступінчасті стиск повітря з проміжним його охолодженням і багатоступінчасті згоряння палива.

Стиснене повітря прохолоджується в проміжних холодильниках. Звичайно здійснюють трьохкаскадний стиск повітря.

При згорянні палива в камерах згоряння ГТУ коефіцієнт надлишку повітря звичайно складає 3 - 5. Тому продукти згоряння містять велика кількість вільного кисню, якім можна використовувати для допалювання палива в проміжній камері згоряння.

5.Застосування ГТУ замкнутої схеми. Як робоче тіло доцільно використовувати одноатомні гази (ДО=1,66). Тоді тому що п.д. вище при тих же ступенях стиску (підвищення тиску). Такі схеми представляються перспективними для ядерних ГТУ.

6.Утилізація тепла уходящіх газів ГТУ. Теплоту уходящіх газів примінити для одержання пари і гарячої води.

ГТ25-700 ЛМЗ постачена мережним підігрівником, що дозволяє одержувати воду температурою 150-160 С.

7.Використання тепла газів, що ідуть, для підігріву води і паротворення в паросилових установках (парогазовый цикл).

Парогазова установка є бінарною установкою. Приклад - есмінець США “Орлі Берх”. Подібні установки використовуються як в енергетику, так і на транспорті (суднові ГТУ з утилізаційними паровими казанами. Парова і газова турбіни працюють на загальний редуктор)

9.10.Недоліки ГТУ

1.Низька температура газу перед турбіною, тобто низька максимальна температура циклу ГТУ.

2.Відсутність компактних теплообмінників для регенерації тепла в ГТУ.

3.Визначена складність регулювання транспортних ГТУ.

4.Малий термін служби в порівнянні з паровими турбінами.

9.11.Газотурбінні установки в будівництві, системах теплогазопостачання.

1.ГТУ застосовуються як пікові приводи на електростанціях.

2.Використовуються на тимчасових електростанціях.

3.ГТУ застосовуються як приводи компресорів магістральних газопроводів. Як паливо використовується природний газ, що перекачується. Як привод використовуються авіаційні ГТД, що виробили свій ресурс.

10. ЦИКЛИ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ ПРИНЦИПОВА СХЕМА ДВЗ.

Клапанний механізм зв'язаний c кривошипно-шатунним.

Двигуни внутрішнього згоряння відрізняються від парових тем, що згоряння відбувається усередині робітника органа машини.

Перші спроби належали механіку Ленуару (Франція). У 1860 р. був побудований двигун, що працював на світильному газі. К. п. д. був низок – не вище парової машини.

У 1862 р. Бо-де–Роша (Франція) запатентував, а в 1877 р. Отто (Німеччина) побудував бензиновий двигун.

Цикл Отто (V = const)

У термодинаміку досліджують не реальні необоротні процеси в ДВЗ, а ідеальні оборотні цикли. Як робоче тіло приймають ідеальний газ з постійною теплоємністю. Думають, що підведення теплоти здійснюється не за рахунок спалювання палива, а від зовнішніх джерел теплоти.

0- 1 – так усмоктування (наповнення). Термодинамічним процесом не є. Сумішоутворення – у карбюраторі.

1– 2 адіабатний стиск пальної суміші

- запалювання суміші від свічі

2– 3 – ізохорне підведення тепла q1

3– 4 – адіабатне розширення

4– 1 – ізохорний відвід тепла q2

4 – 0 – такт випуску (вихлопу)-

с. 17.2а

Нетермодинамічний процес

Т2 = Т1 εдо-1

υh – робочий обсяг

Т3 = Т1 λ εдо-1

υh = υ1 – υ2

Т4 = Т1 λ

1 - ступінь стиску;

2

3 - ступінь підвищення тиску.

2

При аналізі циклів вважають параметри робочого тіла 1 відомими. Тоді можна визначити параметри в крапках 2, 3, 4 і виразити їх через параметри крапки 1.Т. к. к. д. циклу Отто

ДО = 1.4

Зі збільшенням ступеня стиску темп наростання тККД падає, але ріст продовжується, хоча і дуже повільно. Робоче паливо – бензин (легені моторні палива), газ.

1.При підвищенні ступеня стиску виникає передчасне запалення в циліндрі, що викликає негативну роботу і зниження тККД.

2.Детонація. Швидкість згоряння при цьому 2000 м/с. При нормальному горінні – 20 – 30 м/с. Антидетонатори дорогі і шкідливі добавки.

10.1. Цикл Дизеля (р = const)

Розроблений у 1897 р. Перший двигун працював на гасі. Розпилення палива – компресором повітряним.

1 – 2 стиск повітря (ε – до 20)

3 - ступінь попереднього розширення

2

3 – 4 – адіабатне розширення

Рис.17.3а

Якщо провести підрахунок тККД циклу Дизеля за аналогією з підрахунком тККД циклу Отто, то одержимо

K = 1.41

При однакових ступенях стиску тККД циклу Отто вище тККД циклу Дизеля.

Для роботи дизелів використовуються важкі моторні палива (солярова олія, нафта). Вони значно дешевше, менш небезпечні в пожежному відношенні.

Недоліки дизельних двигунів – більша вага, велика вартість, гучність, складність регулювання. Економічність дизельних двигунів висока.

Поки це самі економічні двигуни Питома витрата доходить (ве) до 0.18 – 0.2 кг/ квт година, ηе – до 40%.

Компресор вимагає великих витрат потужності (до 10%).

10.2. Цикл Тринклера (цикл зі змішаним підведенням тепла)

Запатентований Сабатэ. Перший двигун у 1893 побудував Мамин.

Тринклер у 1904 р. побудував біс компресорний двигун, що працював по такому циклі.

ис.

17.4.а

Паливо розпорошується механічно за допомогою плунжерного насоса і форсунки при тисках до 70 МПа

Цикл Отто (ρ = 1) і циклу Дизеля (λ = 1) – окремі випадки циклу Тринклера. По цьому циклі працюють більшість сучасних двигунів.

10.3. Зображення циклів двигунів внутрішнього згоряння в Т – S координатах.

10.3.1. Цикл Отто, цикл Дизеля

Рис. 17.2б Рис.17.3б

При рівних ступенях стиску і рівності максимальних температур циклів Т3 цикл Дизеля має більш низький к. п. д., чим цикл Отто

ηtизоб < ηtизох

Цей висновок можна одержати, порівнюючи середньоінтегральні температури підведення і відводу тепла в цих циклах

ηtизоб < ηtизох

При різних ступенях стиску й однакових максимальних температур циклів Т3 цикл Дизеля має більший к. п. д. у порівнянні з циклом Отто.

10.4. Двотактні д. в. с.

Основна відмінність від чотиритактних полягає в тому, що наповнення циліндра пальною чи сумішшю чистим повітрям здійснюється в наявності ходу стиску, а випуск продуктів згоряння – наприкінці робочого ходу

Ефективний к. п. д. двотактних д. в. с. невисокий, питома витрата палива в них істотно вище, ніж у чотиритактних.

Застосовуються двотактні д. в. с. в основному при необхідності досягнення малої питомої маси двигуна (мотопилки, мотоцикли, моделі і т.п.)

10.5.Класифікація

1.По робочому циклі – двотактні і чотиритактні.

2.По способі сумішоутворенню – із зовнішньому і внутрішнім сумішоутворенні.

3.По способі запалення – із самозапалюванням від стиску;

сзапаленням від електричної іскри;

сзапаленням від калоризатора;

4.По роду палива – газові;

двигуни легкого палива (бензинові) двигуни важкого палива (дизельні)

5.По призначенню – стаціонарні пересувні

транспортні (авто, авіа, судо, тепловозні)

6.По конструктивному виконанню. Класифікація ще більш велика.

10.6.Застосування ДВЗ у будівництві.

Головним чином 4-х тактные дизелі, 4-х тактные карбюраторні двигуни. Застосування:

1.Привод компресорів

2.Будівельні машини (екскаватори, бульдозери, монтажні крани).

3.Тимчасові електростанції – для привода електрогенераторів.

Іноді використовується дизель – електричні чи дизель – гідравлічні передачі.

На газоперекачивающих станціях застосовуються ДВЗ і ГТУ як приводи на компресорних станціях перекачування газу. В останні роки використовуються авіаційні ТРД, що виробили свій літний ресурс. Паливом служить газ з газопроводу.

10.7. Індикаторна діаграма.

Індикаторна діаграма – крива залежність тиску в циліндрі двигуна від обсягу робочого тіла.

Середній індикаторний тиск – умовний постійний надлишковий тиск, що, дії на поршень, робить за один цикл.

Індикаторна потужність двигуна – потужність, що розвивається усередині циліндра. Lу = pi Vh, де Vh – робітник обсяг циліндра;

n – швидкість обертання, про/хв; i – число циліндрів;

τ = 4 для чотиритактних двигунів; τ=2 для двотактних двигунів;