Циклы теплосиловых установок.

 

Цикл ДВС. Поршневым ДВС называется тепловая машина, в рабочем цилиндре которой происходит сгорание топлива и преобразование теплоты в работу.

Поршень совершает возвратно-поступательные движения. Крайние положения поршня называются ВМТ и НМТ (верхней и нижней мертвой точкой). Ход от ВМТ до НМТ – называется тактом. Объём над поршнем, находящимся в ВМТ называется, объёмом камеры сгорания.

В зависимости от процессов подвода теплоты теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1, 2 рабочего тела в цилиндре, изохорного 2, 3 или изобарного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 3-4 или 7-4 и из изохорного отвода теплоты 4, 1 (рис. 34).

 

 

 

Рис.34

 

 

В двигателях подвод теплоты осуществляется путём сжигания топлива. Топливовоздушная смесь подготовлена заранее и сгорает в цилиндре практически мгновенно, подвод теплоты оказывается близким к изохорному.

Чтобы не делать цилиндр очень длинным, а ход поршня очень большим, расширение продуктов сгорания в ДВС осуществляют не до атмосферного давления p ₁, а до более высокого p ₁. Избыточное давление p ₄- p ₁ при этом теряется. Это изображено изохорным отводом теплоты 4 – 1 (рис. 34).

Отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя: ,

- является основным параметром, определяющим величину термического КПД цикла.

Кроме того, для цикла с подводом теплоты при v= const необходимой характеристикой является степень повышения давления , а для цикла с подводом теплоты при p= const степень предварительного расширения .

Если рассмотреть два цикла с подводом теплоты при постоянном объеме с одинаковыми точками 1 и 4, один из которых 12'3'4 имеет степень сжатия , чем другой 1-2-3-4, то увидим, что большему значению соответствует более высокая T в конце сжатия 12'.

Следовательно изохора 2'3' лежит выше чем 2-3. Количество теплоты q ₁, подведённое в цикле 12'3'4, больше, чем в 1-2-3-4. Количество отведенное одинаково. То есть термическое КПД цикла 12'3'4 больше. КПД цикла увеличивается с увеличением степени сжатия:

.

При одинаковых показателях адиабаты k процессов сжатия и расширения:

;

.

 

Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9-10.

В дизелях подвод теплоты происходит при p= const (линия 2-7)(рис. 34), (в этих машинах поршень сжимает воздух до высокой степени сжатия 18, а затем в цилиндр впрыскивается топливо) - это повышает КПД.

В этом случае:

 

q ₁= c _p(T ₃- T ₂), q ₂= c _υ(T ₄- T ₁);

l ₀= q ₁- q ₂ ;

.

 

Но при одинаковых цикл с подводом теплоты при p =const, реализуемый в дизелях, имеет меньший КПД, чем цикл при v= const, т.к. при одинаковом количестве теплоты, отданной холодному источнику, количество подведённой теплоты при v =const (линия 2-3) больше, чем при p =const (линия 2-7, рис. 34).

Циклы ГТУ

 

Турбиной называется лопаточный двигатель, преобразующий энергию потока пара, газа или воды, протекающего через сопловой аппарат и рабочие лопатки ротора (лопасти рабочего колеса) в механическую энергию. В зависимости от рабочего тела различают паровые, газовые и гидравлические турбины.

В простейшей турбине (рис. 35) рабочее тело поступает в сопло 1, разгоняется в нём до высокой скорости и направляется на рабочие лопатки 2. Усилия, вызванные поворотом струи 3 в каналах рабочих лопаток, вращающих диск 4 и связанный с ним вал 5. (диск с лопатками и валом называется ротором).

 

 

	Рис. 35

 

 

Рассмотрим схему ГТУ (рис. 36).

Рис. 36

Воздушный компрессор К сжимает воздух, повышая его давление от p ₁ до p₂ и подаёт его в камеру сгорания КС. Туда же нагнетателем Н подаётся топливо. Образующиеся в КС продукты выходят из неё с температурой T ₃ и практически с тем же давлением, что и на выходе из компрессора

 

p₃=p ₂. Следовательно, горение топлива происходит при постоянном давлении.

В газовой турбине T продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температуры снижаются до T ₄, а давление снижается до атмосферного p ₁. Перепад давлений p ₃- p ₄ используется для получения технической работы в турбине ℓ_тех. Большая часть этой работы расходуется на привод компрессора; разность ℓ _тех- является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электрогенераторе ЭГ.

На pv (рис. 37 а) и T-s диаграмме (рис. 37 б) цикл ГТУ будет ´´1234´´

	Рис. 37 а		Рис. 37 б

(сгорание топлива изображено изобарным подводом q ₁ теплоты 2-3, охлаждение продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты q ₂).

= - = 6345- 6215= 1234

Теплота, превращённая в работу, получается как разность между q ₁( 8237) и q ₂ ( 1478) КПД идеального цикла ГТУ

. (24)

Одной из основных характеристик цикла ГТУ является степень повышения давления в компрессоре, равная отношению и степень сжатия .

Выразим отношение температур в формуле (24) через степень повышения давления из уравнения адиабаты:

= ;

.

Так как и , то = .

Из

получим

.

При формула даёт следующие значения для различных

 

						38,5	40,5		43,5

То есть КПД возрастает с увеличением . Это связано с увеличением температуры в конце процесса сжатия T ₂ и соответственно температуры газов перед турбиной T ₃. (на T-s диаграмме это будет и ).

Максимальная температура газов перед турбиной T ₃ ограничивается жаропрочностью металла, из которого делают её элементы. Газы выбрасываются из трубы с температурой > . Следовательно, не полностью используется энергия рабочего тела. Поэтому к.п.д. ГТУ оказывается не высоким.

Однако, не имея деталей с возвратно – поступательным движением, газовые турбины могут развивать больше мощности.

 

Циклы ПСУ

Рабочим телом в таких установках служит водяной пар, а продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь промежуточным теплоносителем (в отличие от ДВС и ГТУ).

Принципиальная схема паросиловой установки выглядит следующим образом (рис. 38).

 

Рис. 38

При сжигании топлива внутренняя энергия полученных продуктов сгорания передаётся через стенки теплопередающей поверхности парогенератора ПК циркулирующей в нём воде. В результате чего она нагревается и превращается в насыщенный пар давления . Затем он поступает в пароперегреватель ПП, где он за счёт внутренней энергии продуктов сгорания перегревается при постоянном давлении до заданной температуры перегрева t ₁. После чего этот пар поступает в паровую турбину T, которой в результате адиабатного расширения от P ₁ до P ₂производится работа. Работа переходит в электрическую энергию, так как на валу турбины находится электрогенератор ЭГ. Отработавший таким образом пар с параметрами и поступает в конденсатор K, где охлаждается (водой) и конденсируется в жидкость до температуры (температуры охлаждающей воды). После чего при помощи насоса Н конденсат поступает снова в парогенератор.

Представим данный цикл Ренкина в координатах , Ts и (рис. 39, а, рис. 39, б и рис. 39, в соответственно).

 

Рис. 39

в)

рис.39

в)

В процессах: 4-5- подводится теплота q ₁ при p = const и вода нагревается до температуры кипения, 5-6- процесс парообразования, 6-1- процесс перегрева;1-2- расширение пара в турбине, 2-3-процесс конденсации; 3-4-подача конденсата насосом в котел.

Теплота q ₁, подведённая к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе:

= .

Отвод теплоты в конденсаторе осуществляется также по изобаре 2-3, значит: = .

Термический К. П. Д. определяется как или согласно выше изложенному запишем:

.

Если не учитывать ничтожного повышения температуры при адиабатном сжатии воды в насосе, то , то есть

,

где - энтальпия кипящей воды при . Из формулы видно, что КПД идеального цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после неё и энтальпией воды , находящейся при температуре кипения .

Эти же значения определяются, в свою очередь, тремя параметрами цикла: давлением и температурой пара перед турбиной, и давлением за турбиной (в конденсаторе).

(В самом деле зная и легко найти положение точки 1 в -диаграмме и найти . Далее пересечение адиабаты с изобарой определяем положение точки 2 то есть . Энтальпия воды , закипающей при давлении , зависит только от .)

Перегрев пара увеличивает среднюю температуру подвода теплоты в цикле, не меняя температуру отвода теплоты. Поэтому термический КПД паросиловой установки возрастает с увеличением температуры пара перед двигателем. Например, при =9,8 МПа и =3,9 кПа зависимость от следующая: