Тепловой двигатель

Тепловой двигатель - двигатель, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Тепловые двигатели составляют наибольшую группу среди первичных двигателей и используют природные энергетические ресурсы в виде химического или ядерного топлива. В основе работы теплового двигателя лежит замкнутый (или условно замкнутый) термодинамический цикл. Эффективность работы идеального теплового двигателя определяется термодинамическим кпд теплового двигателя, имеющего дополнительные потери, например на трение, вихреобразование, тепловые потери, оценивается так называемым эффективным кпд, то есть отношением механической работы на выходном валу теплового двигателя к подведённой тепловой энергии. Эффективный кпд теплового двигателя колеблется в пределах 0,1—0,6. По типу машин, осуществляющих рабочие термодинамические процессы, тепловые двигатели подразделяются на поршневые двигатели, роторные двигатели и реактивные двигатели. Возможны комбинации этих типов тепловых двигателей, например турбореактивный двигатель, Ванкеля двигатель. По способу подвода теплоты для нагрева рабочего тела тепловые двигатели подразделяются на двигатели внутреннего сгорания, в которых процессы сгорания топлива и преобразования теплоты в механическую работу происходят в одних и тех же рабочих полостях (цилиндрах) теплового двигателя, и двигатели внешнего сгорания, в которых рабочее тело получается (или нагревается) вне самого теплового двигателя в специальных устройствах.

ПАРОТУРБИННЫЕ, ГАЗОТУРБИННЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ УСТАНОВКИ.

Установки с паровыми и газовыми тур­бинами преобразуют тепловую энергию, получаемую от органического или ядер­ного топлива, Солнца, геотермальных и других источников энергии, в механи­ческую энергию на валах паровых или газовых турбин или в механическую и электрическую энергию, если, например, в комбинированную установку (КУ) включен МГД-генератор.

Паротурбинная установка (ПТУ) рабо­тает по замкнутому циклу; если пре­небречь утечками, то в установке цир­кулирует одно и то же количество пара. ПТУ устанавливаются на конденсацион­ных электростанциях (КЭС) и вырабаты­вают электроэнергию, на теплоэлектро­централях (ТЭЦ) и вырабатывают кроме электрической энергии тепловую, вклю­чаются в технологический цикл произ­водства, используя пар, образующийся в технологических процессах, для при­вода других машин и механизмов (воз­духодувки, насоса, гребного винта и пр.).

Газотурбинная установка (ГТУ) откры­того цикла, одна из схем которой по­казана на рис.1, в общем случае состоит из компрессора (или компрес­соров) 1, сжимающего рабочее тело — воздух или газ — и потребляющего мощ­ность; нагревателя — камеры (или камер) сгорания 6, в которую насосом 3 пода­ется органическое топливо, либо воз­душного котла (в ГТУ замкнутого цикла на органическом топливе), либо ядерного реактора (в атомных замкнутых ГТУ); газовой турбины (или турбин) 4, в кото­рой расширяется газ, производя работу; потребителя мощности (электрогенера­тора, гребного винта, ведущего колеса, реактивного сопла, воздушного винта, газового компрессора и др.) 5; проме­жуточных воздухо- или газоохладителей 2; теплообменника-регенератора (рекупе­ратора) или котла-утилизатора 7.

Схема ГТУ открытого цикла. (рис. 1)

По назначению ГТУ делят на стацио­нарные, транспортные и авиационные. Стационарные энергетические ГТУ слу­жат для выработки электрической и тепловой энергии на электростанциях, привода компрессоров и насосов на газо и нефтепроводах, подачи дутьевого воз­духа или выработки электроэнергии (а иногда и теплоты) на промышленных предприятиях (нефтеперерабатывающих и химических заводах, домнах и др.).

Транспортные ГТУ являются приво­дами гребных винтов, водометных дви­жителей или воздушных винтов на ко­раблях и судах, ведущих колес локомо­тивов или автомобилей. Авиационные ГТД служат для привода воздушных винтов или создания реактивной тяги самолетов.

Комбинированные установки с паро­выми и газовыми турбинами (парогазо­вые и газопаровые) применяются в ос­новном на электростанциях большой мощности для выработки электрической и тепловой энергии, а также в качестве главных судовых установок. Они вклю­чают основные агрегаты ПТУ и ГТУ; в них два рабочих тела — пар и газ —используются в едином энергетическом комплексе.

При сочетании безмашинного (в МГД-генераторе) и машинного (в турбине) способов преобразования энергии теп­лота отработавшего в МГД-генераторе газа передается в теплообменниках-реге­нераторах 2, парогенераторах 6 (рис. 2, а), воздухоподогревателях 10 (рис. 2, б) и т. п. рабочему телу ПТУ или ГТУ.

Рис. 2

Схемы простейших КУ с МГД-генератором:

1 — компрессор; 2 — теплообменник; 3 — камера сгорания; 4 — МГД-генератор; 5 — диффузор; б — парогенератор; 7 — паровая турбина; 8 — конденсатор; 9 — насос; 10 — воздухоподогреватель; 11 — газовая турбина.

Паротурбинная установка - энергетическая установка, включа­ющая паровые котлы и паровые турбины.

Газотурбинная установка - конструктивно-объединенная сово­купность газовой турбины, компрессора, камеры сгорании, газовоздушного тракта, системы управления и вспомогатель­ных устройств.

Паровая и газовая турбины — турбины, в которых в качестве рабочего тела используется соответственно пар и газ.

Ступень — это совокупность неподвижного соплового аппарата и вращающегося рабочего колеса (в турбине) или вращающегося рабочего колеса и неподвижного спрямляющего аппарата (в компрессоре).

Нагнетатель

Нагнетатель — компрессор для предварительного сжатия воздуха или смеси воздуха с топливом, поступающих в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Назначение компрессоров состоит в сжатии газов и перемещении их к потребителям по трубопроводным систмам.

Компрессоры, применяемые для отсасывания газа из ёмкостей с вакуумом, сжимающие газ до атмосферного или несколько большего давления, называют вакуум-насосами.

Основными параметрами, характеризующими работу компрессора являются объёмная подача Q(количество теплоты), начальное давление и конечное давление или степень повышения давления , частота вращения и мощность N на валу компрессора.

Компрессоры соответственно по способу действия можно разделить на три основные группы: объёмные, лопастные и струйные. При классификации по конструктивному признаку объёмные компрессоры подразделяются на поршневые и роторные, а лопастные- на центробежные и осевые. Возможно разделение компрессоров на группы в зависимости от рода перемещаемого газа, вида привода, назначения компрессора.

Поршневой компрессор. При возвратно-поступательном движении поршня осуществляются фазы процесса: расширение,всасывание, сжатие и выталкивание. Способ действия поршневого компрессора, основанный на вытеснении газа поршнем, позволяет строить конструкции с малым диаметром и ходом поршня, развивающие высокое давление при относительно малой подаче.

Конструктивная схема поршневого компрессора.

Роторный компрессор пластинчатого типа. При вращении массивного ротора 2, в продольных пазах которого могут свободно перемещаться стальные пластины 3, газ захватывается в межлопастные пространства, переносится от всасывающего патрубка 4 к напорному 5 и вытесняется в трубопровод. Вал роторного компрессора может соединяться с валом приводного двигателя непосредственно, без редуктора. Это обуславливает компактность и малую массу установки в целом.

Конструктивная схема роторного компрессора.

1- корпус, 2- ротор, 3- пластины, 4- всасывающий патрубок, 5- подающий патрубок.

Центробежный компрессор действует аналогично центробежному насосу. Вал центробежного компрессора соединяется с валом приводного двигателя (электродвигатель, паровая турбина) или непосредственно, или через механическую передачу, повышающую частоту вращения вала компрессора, чем достигается уменьшение размеров компрессора, снижаются его масса и стоимость.

Конструктивная схема двухступенчатого центробежного компрессора.

Осевой компрессор. Конструкция состоит из массивного ротора с несколькими венцами рабочих лопастей и корпуса, несущего венцы неподвижных направляющих лопастей. Газ всасывается в приёмный патрубок и, двигаясь в осевом направлении, сжимается последовательно в лопастных ступенях компрессора. Через напорный патрубок газ вытесняется в трубопровод к потребителям. Привод осевых компрессоров- от электродвигателей, паровых и газовых турбин.

Схема осевого компрессора (семиступенчатого).

1. рабочая область, 2- ротор, 3- направляющие лопасти

Тема 2. Процессы преобразователей тепловой и механической энергии Анализ влияния начальных условий, охлаждения и подвода тепла, сжимаемости и типа рабочего тела на работу сжатия и расширения; определение мощности машины, понятие о КПД нагнетателя и теплового двигателя.

ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ

Часть индикаторной мощности Р_i двигателя, расходуемая на преодоление различных сопротивлений внутри двигателя и на привод вспомогательных агрегатов (водяного, масляного, топливного насосов и т. п.), назы­вается мощностью механических потерь Р_п; другая часть индикаторной мощности, снимаемой с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью Р_е и расходуется на совершение внешней работы, т. е.

(1)

По аналогии со средним индикаторным давлением p_i эффективной мощности Р_е и мощности механических потерь Р_м соответствуют средние удельные давления, определяемые из соотношений

и

где р_е — среднее эффективное давление (в МПа); p_м — среднее давление механических потерь (в МПа). В соответствии с формулой (1)

Мощность механических потерь состоит из следую­щих мощностей:

мощности P^’_м, затрачиваемой на преодоление трения в элементах кривошипно-шатунного механизма, на при­вод вспомогательных агрегатов, а также на преодоление

аэродинамического сопротивления движению элементов двигателя;

мощности Р_нас, затрачиваемой на осуществление про­цессов газообмена;

мощности Р_наг, затрачиваемой на привод нагнета­теля (для двигателей с наддувом) или продувочного на­соса (для двухтактных двигателей).

Мощность механических потерь

или

Относительное уменьшение индикаторной мощности Р_i за счет мощности механических потерь Р_м оценивается механическим КПД, причем

Численные значения мощности механических потерь Р_м определяются экспериментально и расчетом. Из числа экспериментальных методов определения Р_м наиболее распространены индикаторный метод, метод прокручива­ния коленчатого вала двигателя и метод выключения цилиндров.

Первый метод определения механических потерь за­ключается в определении мощности Р_м по разности инди­каторной и эффективной мощностей. Индикаторная мощ­ность вычисляется по результатам обработки индикатор­ной диаграммы, полученной при испытаниях двигателя.

Второй метод определения Р_м основан на прокручи­вании коленчатого вала двигателя от постороннего источ­ника при выключенном зажигании (или выключенной подаче топлива). Мощность механических потерь опре­деляется затратами энергии на прокручивание коленча­того вала.

Третий метод определения Р_м основан на последова­тельном выключении отдельных цилиндров. Мощность механических потерь определяется по

изменению эффек­тивной мощности двигателя при последовательном вы­ключении отдельных его цилиндров.

При определении Р_м обычно применяют второй и тре­тий методы. При индикаторном методе определения Р_м наблюдаются большие погрешности.

Эффективный КПД ŋ_е и удельный эффективный рас­ход топлива g_e.

Эффективная топливная экономичность двигателя в целом оценивается эффективным КПД ŋ_е или удельным эффективным расходом топлива g_e.

Эффективным КПД называют отношение количества теплоты Q_e, преобразованной в эффективную работу W_e, ко всей подведенной теплоте Q_о, т.е.

Выразив эффективную мощность Р_е через Р_iŋ_м, полу­чим связь между всеми КПД двигателя

где ŋ_t, ŋ₀ и ŋ_м — соответственно термодинамический, относительный и механический КПД двигателя.

Литровая мощность. Для оценки эффективности ис­пользования рабочего объема цилиндра применяют ли­тровую мощность Р_л (в кВт/л), представляющую собой отношение эффективной мощности Р_е к рабочему объему V_л (в л)

(2)

Уравнение (2) показывает, что литровая мощность, определяющая степень форсирования двигателя, может быть увеличена при повышении среднего эффективного давления р_е, частоты вращения коленчатого вала n.

ТЕОРИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В основу теории строения тепловых двигателей легла способность изменение объема большинства веществ в особенности газов. Они как нельзя лучше подходит на роль рабочего тела, потому что газ обладает наибольшими коэффициентами упругости и температурного расширения - то есть с увеличением температуры при постоянном давлении увеличивается объем, а при фиксированном объеме растет давление.     Таким образом, для работы теплового двигателя нужно рабочее тело, которое будет воздействовать на поршень или на какой либо другой объект, источник вышей и нишей температуры, то есть нагреватель и охладитель. В наше время в качестве нагревателя в основном используют химическую реакцию (горение) а в роле охладителя выступает окружающая среда. В последнее время, для того чтобы увеличить КПД (коэффициент полезного действия) двигателя в нутре него сгорания применяют системы дополнительного охлаждения рабочей смеси (воздуха и бензина).  КПД на прямую зависит от коэффициента сжатия и технических особенностей двигателя. Дело в том, что при сжатии газы нагреваются и горючая смесь просто детонирует раньше положенного времени, а чем меньше начальная температура тем большего сжатия можно достичь к тому же охлажденный газ меньше в объеме что особенно выгодно в автомобильных гонках где правилами ограничен объем двигателя.  А что ели в качестве нагревателя использовать окружающую среду, а рабочее тело охлаждать холодильной машиной? Да теоретически это возможно ведь КПД холодильной машины может быть выше единицы и к тому же отдавая энергию рабочее тело сильно охлаждается.

УСЛОВИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ РАБОТЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Простейшей машиной, при помощи которой люди давно использовали энергию излучения Солнца для получения работы, являются ветряные мельницы (ветряные двигатели). Вращение крыльев двигателя, приводящее в движение вал, совершающий какую-либо работу, возникает под действием ветра. Для возникновения ветра необходима разность давлений, а эта последняя возникает вследствие различия в температуре различных частей атмосферы. Ветер есть не что иное, как конвекционное движение атмосферы, обусловленное неравномерным нагреванием ее. Таким образом, энергия, доставляемая Солнцем, может быть использована для получения работы в ветряном двигателе только при условии, что имеется разность температур отдельных частей атмосферы, создаваемая поглощением лучистой энергии Солнца и частичным испусканием ее в мировое пространство. Установлено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может иметь место лишь в том случае, если совершающая работу машина не только получает теплоту от какого-либо тела), о тело называют нагревателем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику). Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику. Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Кроме того, существуют машины, в которых нагревание производится Солнцем, а также проекты машин, использующих разности температур морской воды. Однако пока ни те, ни другие не имеют заметного практического значения. В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер.

Термодинамика

В настоящий момент для двигателей с внешним подводом теплоты наиболее известен термодинамический цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор. Но возможно применение и других термодинамических циклов в подобных двигателях.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл с изотермическим сжатием и адиабатическим расширением некого гипотетического двигателя. На рис. 1 приведен такой идеальный термодинамический цикл, показанный в pV- и sT-координатах.

Рис. 1. Идеальный термодинамический цикл

В цикле принят изохорический процесс подвода теплоты так как, его термический КПД больше изобарического. Для упрощения расчетов, изохорический процесс 2–3 показан прямой линией.

Термический КПД цикла по sT-диаграмме рис. 1а:

(1)

Термический КПД цикла по pV-диаграмме рис. 2б:

(2

где: λ – степень повышения давления; κ – показатель адиабаты; ε – степень сжатия.

Как видно из формулы (1) термический КПД такого цикла зависит от отношения температур холодильника и нагревателя, а формулы (2) – соответствия между необходимой производимой работой, степенью сжатия и количеством подводимой теплоты.

Например, при T₃ = 1173K; T₁ = 337K; ε = 6,5; κ = 1,6 и λ = 3,5 термический КПД цикла составит 0,55. Что, при прочих равных условиях, сопоставимо с термическим КПД цикла Стирлинга.

Но в реальном двигателе добиться, чтобы он работал по такому циклу конечно трудно, поэтому обобщенный термодинамический цикл реального двигателя будет выглядеть так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Реальный термодинамический цикл

Работа

Для объяснения принципа работы ДВПТ по циклу с изохорическим сжатием и адиабатическим расширением воспользуемся рис. 3.

Рис. 3. Принцип работы ДВПТ

Такт впуска (рис. 3а). В верхней мертвой точке (ВМТ) открывается клапан расположенный в поршне и при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) рабочее тело, с давлением p₁ и температурой T₁, поступает в цилиндр. В НМТ клапан в поршне закрывается.

Такт сжатия (рис. 3б). При движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие рабочего тела, при этом выделяющаяся в процессе сжатия теплота Q₁ (см. рис. 1) рассеивается в окружающей среде, вследствие этого температура стенки цилиндра, а, следовательно, и температура рабочего тела поддерживается постоянной и равной T₁. Давление рабочего тела возрастает и достигает значения p₂.

Такт расширения (рис. 3в). В процессе нагревания теплота через стенку цилиндра передается рабочему телу. При мгновенном подводе теплоты Q₂ к рабочему телу давление и температура в цилиндре возрастают, соответственно до p₃ и T₃. Рабочее тело воздействует на поршень и перемещает его к НМТ. В процессе адиабатного расширения рабочее тело производит полезную работу, а давление и температура уменьшаются до p₁ и T₁.

Такт выпуска (рис. 3г). При движении поршня к ВМТ в цилиндре открывается клапан и через него осуществляется выпуск рабочего тела из цилиндра, с давлением p₁ и температурой T₁. В НМТ клапан в цилиндре закрывается.

Цикл замыкается.

Схема

Упрощенная схема двигателя представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема работы ДВПТ

В двигателе такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах, соответственно компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны между собой через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В компрессионной магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной магистрали 4 находится нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3 подключена к компрессионному цилиндру 1 через выпускной клапан 7, а к расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через выпускной клапан 9, а к компрессионному цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12 цилиндров 1 и 2 связаны с валом двигателя 13 через механизм преобразования движения 14.

Заключение

Главный вопрос – как технически реализовать рассмотренный выше цикл на реальном устройстве. Без сомнения существует несколько вариантов.

Автор предложил вариант реализации цикла в двигателе, содержащем компрессионные и расширительные цилиндры расположенные вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Причем впускной орган компрессионных и выпускной орган расширительных цилиндров выполнены в поршнях. Это позволит сделать геометрические характеристики впускных и выпускных органов максимально возможных размеров, и вследствие чего, максимально уменьшить сопротивление при впуске и выпуске рабочего тела. Впускные и выпускные органы компрессионных и расширительных цилиндров управляются электроникой. В качестве источника тепла применен тепловой аккумулятор. К тепловому аккумулятору подключена камера сгорания, которая автоматически поддерживает в нем постоянную температуру.

Совокупность выше названных технических решений, по мнению автора, позволит:

• достичь высокого КПД двигателя;

• осуществлять беспринудительный запуск двигателя;

• возвращать теплоту обратно в тепловой аккумулятор в режиме торможения двигателем;

• при запуске выбирать направление вращения вала двигателя в любую сторону;

• использовать практически все виды топлива;

• обеспечить минимальное содержание вредных веществ в отработанных газах.

КОМПРЕССОРЫ

ОСНОВНЫЕ РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ КОМПРЕССОРОВ

Степень повышения давления (отношение давлений в компрессоре):

1. по статическим параметрам ε _k = р_к/p_н;

2. по параметрам торможения ε _k^* = p_к*/p_н^*, где р_к* и р_н*— давления торможения, напри­мер:

здесь а_к — скорость звука при темпера­туре Т_к.

В этой формуле

z— коэффициент сжимаемости; R — газовая постоянная, Дж/(кг • К);

к —показатель изоэнтропы.

Мощность, потребляемая компрессором:

1. для неохлаждаемых машин

2. для охлаждаемых машин

где H_а.к и H_из.к —соответственно изоэнтропический (адиабатический) и изотермический напоры.

Изоэнтропический к. п. д. ŋ_а неохлаж­даемого компрессора без учета механических потерь и утечек может быть определен по температурам и давлениям, измеренным до и после компрессора:

Коэффициент q учитывает отдачу тепла наружному воздуху через корпус компрес­сора и равен:

Для небольших центробежных компрессоров

(расход до 1 кг/с)……0,025-0,035

Для крупных центробежных компрессоров

(расход от 2 до 5 кг/с)……0,02-0,025

Для осевых компрессоров……0,01-0,02

Применение тепловой изоляции корпуса компрессора и патрубков, где производится измерение температуры, вызывает уменьше­ние q в 2—3 раза.

Для оценки эффективности неохлаждае­мых компрессоров или отдельных ступеней используют также политропический к. п. д.

где ∑H_т - сумма теоретических напоров сту­пеней; H_п —политропический напор.

Рис. 1. Зависимость между политропическим и изоэнтропическим к. п. д. компрессора.

Политропический к.п.д. неохлаждаемого компрессора (без учета механических потерь и утечек) может быть определен по измерен­ным давлениям и температурам:

Между политропическим и изоэнтропи­ческим к.п.д. существует зависимость, изо­браженная графически на рис. 1:

Для неохлаждаемых машин между поли­тропическим к. п. д. и средним показателем политропы существует зависимость

Величины ŋ_а, ŋ_п, ŋ_из определяют сте­пень приближения данного реального про­цесса к теоретическому.