Тема 7. Термодинамічні цикли.

7.1. Цикли паротурбінних установок (пту).

Паротурбінна установка є основою сучасних теплових і атомних електростанцій. Робочим тілом у таких установках є пара якої-небудь рідини (водяна пара). Основним циклом у паротурбінній установці є цикл Ренкіна.

Принципова схема ПТУ показана на мал.7.1 і процес одержання роботи відбувається в у такий спосіб. У паровому казані (1) і в перегрівнику (2) теплота горіння палива передається воді. Отримана пара надходить у турбіну (3), де відбувається перетворення теплоти в механічну роботу, а потім в електричну енергію в електрогенераторі (4). Відпрацьована пара надходить у конденсатор (5), де віддає теплоту охолодній воді.

Отриманий конденсат насосом (6) відправляється в живильний бак (7), відкіля живильним насосом (8) стискується до тиску, рівного в казані, і подається через підігрівник (10) у паровий казан (1).

Розглянемо цикл Ренкіна на насиченій парі. Схема установки відрізняється від попередньої схеми тим, що в даному випадку буде відсутній перегрівник. Тому на турбіну буде надходити насичена пара.

На мал.7.2,а зображений цикл Ренкіна в TS-діаграмі. Процеси: 3-1 – підведення теплоти від джерела у воді q₁, складається з двох процесів: 3-3^/ - кипіння води в казані; 3/-1 – випар води в пару при постійному тиску; 1-2 – у турбіні пар розширюється адіабатично; 2-2^/ - пара конденсується і віддає тепло q₂ охолодній воді; 2/-3 – конденсат адіабатично стискується.

Термічний к.к.д. циклу Ренкіна визначається по рівнянню:

_t = (q₁ – q₂)/q₁ . (7.1)

Тому що: q₁ = h₁ – h₃ ; q₂ = h₂ – h₂^/ , те

_t = [(h₁ – h₂) - (h₃ – h₂^/)] /( h₁ – h₃) = l / q₁. (7.2)

Корисна робота циклу дорівнює різниці робіт турбіни і насоса: l = l_т – l_н , де: l_т = h₁ – h₂ , l_н = h₃ – h₂^/ . В основному l_т >> l_н , тоді вважаючи h₃ = h₂^/ , можна записати:

_t = (h₁ – h₂)/( h₁ – h₃) . (7.3)

Теоретичну потужність турбіни розраховують по формулі:

N_т = (h₁ – h₂)·D/3600 , [Вт] (7.4)

де: D = 3600·m – вартовий витрата, [кг/год] m – секундна витрата, [кг/с]

Цикл Ренкіна на перегрітій парі застосовується для збільшення термічного к.к.д. циклу ПТУ. Для цього перед турбіною ставлять перегрівник 2 (Рис.7.1), який збільшує температуру і тиск пари. При цьому зростає середня температура підведення теплоти в циклі.

Діаграма циклу показана на мал.7.2,б Формули розрахунку l, _t, N_т залишаються без змін.

7.2. Цикли двигунів внутрішнього згоряння (двс).

Цикли поршневих двигунів внутрішнього згоряння підрозділяють на три групи:

• с підведенням теплоти при постійному обсязі (карбюраторні ДВС);

• с підведенням теплоти при постійному тиску (компресорні дизелі);

• зі змішаним підведенням теплоти при постійному обсязі (без компресорні дизелі);

Основними характеристиками або параметрами будь-якого циклу теплового двигуна є наступні безрозмірні величини: ступінь стискання (відношення питомих обсягів робочого тіла на початку і кінці стиску)

 = _1/ ₂ , (7.5)

ступінь підвищення тиску (відношення тисків наприкінці і на початку ізохорного процесу підведення теплоти)

 = Р₃ / Р₂ , (7.6)

ступінь попереднього розширення або ступінь ізобарного розширення (відношення питомих обсягів наприкінці і на початку ізохорного процесу підведення теплоти)

 = _3/ _2. (7.7)

1 Розглянемо цикл ДВС із підведенням теплоти при постійному обсязі на прикладі чотиритактного двигуна.

Діаграма реального двигуна представлена на мал.7.3.

а-1 (1 такт) – у циліндр через усмоктувальний клапан надходить суміш повітря і пар пального (не термодинамічний процес); 1-2 (2 такт) – адіабатний стиск (підвищується температура); 2-3 – згоряння пальної суміші, тиск швидко зростає при постійному об’єму (підведення теплоти q₁); 3-4 (3 такт) – адіабатне розширення (робочий процес, відбувається корисна робота); 4-а – відкривається вихлопний клапан і відпрацьовані гази залишають циліндр тиск циліндра падає (виділяється тепло q₂). 1-а (4 такт) – виштовхування газів, що залишилися в циліндрі. Потім процес повторюється.

Описаний процес є необоротним (наявність тертя, хімічної реакції в робочому тілі, кінцеві швидкості поршня, теплообмін при кінцевій різниці температур і т.п.).

Для аналізу теорії теплових машин термодинаміка розглядає ідеальні цикли оборотні цикли. Діаграма ідеального процесу двигуна внутрішнього згоряння показана на мал.7.4.

З цієї діаграми виводиться формула для термічного к.к.д. циклу з підведенням теплоти при постійному обсязі, що має такий вигляд:

_t = 1 – 1/^ , (7.8)

де:  ступінь стиску (основний показник роботи двигуна, чим вище е, тим вище економічність ДВС);  – показник адіабати. 2). Ідеальний цикл ДВС зі змішаним підведенням теплоти при постійному обсязі (без компресорні дизелі). Діаграма циклу показана на мал.7.5.

1-2 - чисте повітря з температурою Т₁ стискується до температури Т₂, що більше температури запалення палива. У цей момент у циліндр через форсунки під тиском упорскується паливо. 2-3 – пальна суміш самозаймається і до робочого тіла підводиться тепло q₁^/, тиск підвищується до Р₃. 3-4 – поршень перемішається назад, надходження і згоряння палива продовжується при постійному тиску і підводиться тепло q₁^//. 4-5 – поршень продовжує переміщатися в нижню мертву крапку, тиск падає (адіабатне розширення); 5-1 – процес відводу теплоти q₂ при постійному об’єму (через випускний

клапан залишають відпрацьовані гази).

Термічний к.к.д. циклу визначається по формулі:

_t =  – (·^ – 1) / ^-1·[( - 1) + ··( – 1)] . (7.9)

Цикл двигунів з підведенням теплоти при постійному тиску широке застосування не знайшли, тому що в цих циклів дуже великий коефіцієнт стиску.