книги / Техническая термодинамика.-1

зу ется на теп ловы х и атомных электростанциях и в других тепловы х д ви гател ях .

сж игание топ ли ва осущ ествляется в специальны х кам ерах сгорания). Рабочим телом ДВС на начальной стадии я в л я ется возд ух или смесь в о зд у х а с парам и топлива, а затем - продукты сгорания топлива, к а к

п рави ло, ж идкого (бензин, керосин, соляровое масло) или газообраз­ ного. Т ерм одинам ические состояния рабочего тела, реализуем ы е при работе двигателей, леж ат намного выш е и правее верхней погранич­

мости в теплообменной аппаратуре, имеющей обычно развиты е поверхности теплообмена, что делает ДВС весьм а ком пактны м и.

п однять м аксим альны е тем пературы ц и кла выш е, чем у двигателей с внеш ним подводом теплоты , где вы сокотемпературное рабочее тело находится в кон такте с элем ентам и установки непрерывно (например, кам ер а сгорания и ступени вы сокого давлен и я турбины газотурбинной устан овки ). В результате увеличение средней интегральной тем пе­ ратуры подвода тепла ведет к росту терм ического КПД.

На рис. 70 изображ ены схем а четы рехтактного ДВС и индикаторная

д ви ж ен и я, которы е при помощ и кривош ипно-ш атунного м еханизм а 5 и 6 преобразую тся во вращ ательное движ ение вал а 7.

к р ы ш ки ц и ли н дра - в е р х н я я м ер твая то ч к а (ВМТ), п роти воп олож н ая -

Рабочий процесс ДВС н ачинается с д ви ж ен и я порш ня от ВМТ в н и з п ри откры том вп у ск н о м к л ап ан е 2 (такт всасы ван и я /). При этом в ц и ли н д р поступает смесь топ ли ва с в о зд у х о м (обы чно ж и д ко го топ ли ­

то п л и во сгорает в м ом ент п ри хода порш ня в верхню ю м ертвую то ч к у .

В следствие этого тем п ература и д авл ен и е р езк о возрастаю т при п р ак ти ч еск и п остоянном объем е.

В д и зе л я х в сж им аем ы й в о зд у х , имею щ ий тем п ературу 500 - 600 °С, топ ли вн ы м насосом через ф орсун ку вп р ы ск и вается ж и д к о е топ ли во . В

п ад ает и п ри обратном д ви ж ен и и порш ня (от НМТ к ВМТ) отработав­ ш ие газы вы тал ки ваю тся из ц и л и н д ра (такт вы х л о п а IV) при д авл ен и и , н езн ачи тельн о п р евосход ящ ем атм осф ерное. И ндикаторная ди агр ам м а п роцесса п р ед ставл ен а на рис. 70.

тем п ератур), п оэтом у и ндикаторную д и агр ам м у н е л ь зя о то ж дествл ять с тер м оди н ам и чески м ц и кл о м .

ный газ, имеющ ий постоянную теплоемкость и обладающий свойства­ м и чистого во зд у х а .

п одводом теплоты при V = const (цикл Отто); ц и кл с подводом теплоты при р = const (цикл Д изеля); ц и кл с подводом теплоты при v .= const и р = const (цикл Т ринклера).

Рассмотрим наиболее общ ий ц и кл со смеш анным подводом теплбты

поэтом у п одвод теплоты к рабочем у телу на начальной стадии можно

адиабатическим и процессами. О твод теплоты в окружающ ую среду с

Рис. 72. Цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты: а —в координатах р —v; б - в координатах T —s

п редставленного на рис. 72. Ц икл Отто состоит из д ву х адиабат: сж атия

ны е карбю раторны е двигатели, в которы х используют легко воспла­ м еняю щ иеся топ ли ва (бензин разны х Адарок).

После восп лам ен ен и я электрической искрой горючая смесь (пары бензина с воздухом ) сгорает настолько быстро, что объем рабочего

в ц и к л е c v = const, поэтому КПД1ц и кла Д изеля выш е, чем КПД цикла

м ехан и ческой прочносхи м аксим альны х давлений, а другую ее часть подвести при р = const, т.е. организовать работу двигателя по циклу

р яд о м преим ущ еств: вы сокой быстроходностью, большой мощностью при сравнительно небольш их габаритах и массе. Вследствие ограни­ ченности разм еров цилиндров двигателей внутреннего сгорания в них н евозм ож н о осущ ествить полное адиабатное расширение рабочего тела до д а в л е н и я окруж аю щ ей среды , что м огло бы обеспечить получение

ж и д к и х или газообразны х топлив, сж игаемы х при постоянном давле­ нии. Ц икл ГТУ отличается от ц и кла Д изеля процессом отвода теплоты (изохорны й процесс отвода зам енен изобарным).

С хем а устан о вк и с изобарны м подводом теплоты представлена на рис. 75. Ее работа осущ ествляется следую щ им образом. Атмосферный в о зд у х (В) засасы вается центробеж ным компрессором 1. При переме­ щ ении в о зд у х а м еж ду подвиж ны м и 2 и неподвиж ны м 3 лопаткам и его д авл ен и е повы ш ается. В оздух подается в теплообменник 4, где осу­ щ ествл яется его регенеративны й подогрев, а затем в кам еру сгорания 5, к у д а при помощ и насоса 6 (или компрессора) подается топливо (7). П родукты сгорания (л.с) проходят через несколько рядов подвиж ных л оп аток 7 и п ри водят во вращ ение ротор турбины . При этом снижаются д авл ен и е и тем пература газов.

д л я приема/этого м омента, электрогенератору или самолетному винту.

ком прессором от д авл ен и я Pj до давл ен и я в кам ере сгорания р 2. В

в о зд у х а . П одвод теплоты за счет сго ран и я то п л и ва так ж е п рои сходи т при постоян н ом д авл ен и и (процесс 5 - 3). Расш ирение п р о д у к то в сго р ан и я в турби н е до д а в л е н и я окруж аю щ ей среды о су щ ествл яется по ади абате (3 - 4). П родукты сго р ан и я охлаж даю тся до тем п ературы окруж аю щ ей среды в изобарном процессе 4 - 1 .

Цикл ГТУ без регенерации теплоты

Вэтом случае все тепло подводится к рабочему телу в камере сгорания за счет сжигания топлива: <ji = <j2 —э - Ср(Г3 —Т2). Отвод теплоты проводится при постоянном

давлении в результате теплообмена1 отработанных газов с окружающей средой: <j2=

=Ч4—1 = ср(^4 ~ Тл).

Вкачестве характеристик цикла задаются степень повышения давления в адиабати­ ческом процессер = р2/р i = рэ/р 4 и степень предварительного расширения газа в камере

= TiPp Vе~ 1)Д, Т4 = Тэ/р ~ 1)А = Т,р. Термический КПД цикла в соответствии с выражением (384) равен

Как видно из выражения (394), термический КПД цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты увеличивается с увеличением степени повышения давления р . Это объясняется тем, что повышается средняя температура подвода теплоты от до 7J ' (см. рис. 75, в).

Повысить величину КПД цикла можно за счет использования теплоты отработанных газов, выводимых из цикла, для чего их после турбины направляют в теплообменный

1В ГТУ, работающей по разомкнутой схеме, теплота отводится с выхлопными газами. В случае замкнутой схемы отработанные газы охлаждаются в специальном теплообменном аппарате (холодильнике). В замкнутых схемах рабочим телом может служить любой газ, а необязательно воздух.

аппарат. Нагретый в нем за счет теплоты продуктов сгорания воздух поступает в камеру сгорания. Таким образом осуществляется регенерация теплоты.

На рис. 75, 0 показана Т —s-диаграмма регенеративного цикла. Процесс изобарного охлаждения продуктов сгорания в регенераторе изображается отрезком 4 - 6 . Условно принято, что вся теплота, отводимая от продуктов сгорания в регенераторе, т.е. на участке 4 —6, полностью воспринимается воздухом в процессе 2 - 5 , так что площади 4-6-9-10 и 7 —2 —5 —8 равны. Из диаграммы видно, что теплота, подводимая в цикле за счет сгорания топлива, уменьшается на величину, эквивалентную площади 7 - 2 - 5 - 8 . Если бы регенерации не было, то теплота, эквивалентная площади 4 - 6 - 9 —16, бесполезно рассеивалась бы в окружающем пространстве.

При вычислении КПД цикла с регенерацией в формулу (384) нужно подставлять количество теплоты, переданной рабочему телу от внешних источников: q(p = Ср(Г3 - - Г*), = Ср(Т6 —Т1), таким образом, П у*) = 1 —q ^ / ч ^ = 1 - Сп(Г6 - Т!)/ср(Т3 - —г 5). Учтя, что в рассматриваемом цикле с предельной регенерацией Т5 = Г4, Гб = Г2, и используя полученные выше формулы для температур в характерных точках цикла,

получим окончательное выражение для = 1 - (Г2 - Г^ДТз —Т4) = 1 - 1/р. Из диаграммы Т —s (см. рис. 75, а) видно, что среднеинтегральная температура подвода теплоты в регенеративном цикле Т* Р выше, чем в цикле без регенерации, а среднеинтег­ ральная температура отвода теплоты Т£Р ниже, поэтому термический КПД цикла с реге­

нерацией выше, чем без регенерации.

Другой способ повышения эффективности ГТУ заключается в организации мносту-. пенчатых процессов сжигания и расширения рабочего тела в компрессоре и турбине с одновременной регенерацией теплоты.

Для организации многоступенчатых процессов необходимы промежуточные (между ступенями) подвод и отвод теплоты, причем с ростом числа ступеней процессы подвода и отвода теплоты стремятся к изотермическим, а сам регенеративный цикл к обобщенному циклу Карно, имеющему максимально возможный КПД.

Следует иметь в виду, что увеличение числа ступеней компрессора и турбины, а также наличие регенератора ведут к удорожанию установки, поэтому термодинамическая эффективность теплового двигателя не определяет экономической целесообразности его создания. Окончательное решение вопроса определяется на основе технико-экономичес­ ких расчетов.

10.5. ЦИКЛЫПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

В ц и к л ах паротурбинны х устан овок (ПТУ) в качестве рабочего тела и сп ользуется во д а и водян ой пар. П оскольку водяной пар представ­ л я ет собой реальны й газ, он не подчиняется уравнению М енделеева - К лапейрона pv = RT. Д ля расчета ц и клов ПТУ используют таблицы

м еханическую осущ ествляется в паротурбинных установках на тепло­

тем п ературе (точка 3) насосом (линия 3 - 4 ) подается в парогенератор (ПГ), при этом её д авлен и е адиабатически увеличивается до величины

tac. 77. Теоретический цикл паротурбинной установки: а —в координатах р. —v; б —в координатах T —s

р 4. В парогенераторе за счет теплоты , вы д ел и вш ей ся при сгорании то п л и ва, в о д а н агр евается при постоянном д авл ен и и (процесс 4 - 5 ) до тем п ературы к и п ен и я (точка 5), затем происходит изобарно -изотерм и ­ ч еск о е п арообразован и е (процесс 5 - 6 ) . П олученны й сухой насы щ ен ­ ны й п ар в п ар о п ер егр евателе (ПП) п ер егр евается до требуем ой тем п е ­ ратуры T j адиабатно (процесс 6 - 1).

соверш ением техн и ческой работы (процесс 1 — 2). После турбины пар поступает в кон ден сатор - трубчаты й теплообм енны й аппарат, внут-

р е н я я п оверхность которого ох л аж д ается х о лод н ой вод ой , за счет чего

ренны й ц и к л паротурбинной у стан о вк и н азы вается кон ден сац и он н ы м ц и к л о м Р ен ки н а.

Д л я паротурбинны х у стан о во к терм оди н ам и ч ески н аи б олее в ы го д -, ны м так ж е я в л я е т с я ц и к л К арно. О д н ако его осущ ествлен и е с в я за н о с больш им и трудн остям и , х о тя и реальн о возм ож н о в области вл аж н о го п ара (ц и к л а56Ьа на рис. 77). В этом ц и к л е ко н д ен сац и я п ара в изотер-