Файл: Конспект лекций для студентов, обучающихся по программе прикладного бакалавриата по направлению подготовки 13. 03. 03 (141100) Энергетическое машиностроение.pdf

59
По способу подвода теплоты ДВС подразделяются на двигатели со сгоранием топлива при v = const, p = const и со смешанным сгоранием топли- ва (при v = const и p = const).
Двигатели внутреннего сгорания с подводом теплоты при v=const.
Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты, называемый по имени его автора циклом Отто, осуществляется следующим образом.
При движении поршня от ВМТ к НМТ через впускной клапан в ци- линдр двигателя при практически атмосферном давлении поступает горючая смесь из легкого топлива и воздуха, которая готовится в особом устройстве – карбюраторе (поэтому такой цикл называют еще карбюраторным). Это про-
цесс впуска, который на рис.7.2 изображен линией 0–1.
При обратном ходе поршня и закрытых клапанах смесь адиабатно сжимается. Процесс 1–2 – процесс сжатия.
В ВМТ в момент окончания сжатия система зажигания принудительно
(электрической искрой) воспламеняет смесь. Сгорание смеси происходит практически мгновенно – при постоянном объеме. Процесс 2–3 – процесс
подвода теплоты, давление и температура в цилиндре резко возрастают.
Образующиеся в результате сгорания топлива продукты сгорания адиабатно расширяются при перемещении поршня к НМТ. Процесс 3–4 – ра-
бочий ход.
В НМТ открывается выпускной клапан, и часть отработавших газов удаляется при неподвижном поршне. Процесс 4–1 – изохорный отвод теп-
лоты.
В точке 1 давление равно атмосферному, и дальнейшее удаление про- дуктов сгорания из цилиндра производится поршнем, движущимся к ВМТ
Процесс 1–0 – выхлоп.
Определим термический КПД цикла
1 2
2
t
1 1
1
q
q
q
q
q

 
 

60
Количества подведенной теплоты в процессе 2-3 и отведенной в процессе 4–1 равны
1 3
2
(
)
v
q
c T
T


,
2 4
1
(
)
v
q
c T
T


Тогда
4 1
4 1
t
3 2
3 2
(
)
1 1
(
)
v
v
c T
T
T
T
c T
T
T
T


  
 


Для адиабатного процесса 1-2 1
1 1
2 1
2 1
1 2
,
k
k
k
T
v
T
T
T
v






 

 




Для изохорного процесса 2-3 1
3 3
3 2
1 2
2
,
k
T
p
T
T
T
T
p


 

  

Для адиабатного процесса 3-4 1
1 3
4 2
1 3
4 1
1
,
k
k
k
v
T
v
T
v
v



















1 4
1 1
1 1
k
k
T
T
T


 

 

Подставляя найденные значения температур в выражение для КПД, получим
1 1
t
1 1
1 1
1 1
1 1
k
k
k
T
T
T
T



 
  
 

  

Из этого уравнения следует, что термический КПД цикла с подводом тепло- ты при v = const зависит от степени сжатия и показателя адиабаты. С ростом ε и k величина 
t увеличивается.
Для бензиновых двигателей степень сжатия ограничивается возможно- стью преждевременного самовоспламенения горючей смеси, приводящего к детонационному горению, снижающему мощность и вызывающему прежде- временный износ двигателя; ε < 11.

61
Двигатели внутреннего сгорания с подводом теплоты при p=const.
В этих двигателях в цилиндре сжимается только воздух, что исключает опасность самовоспламенения. Топливо подается таким образом, чтобы дав- ление в цилиндре в период горения сохранялось постоянным, поэтому цикл называется ДВС с подводом теплоты при p = const. или циклом Дизеля.
p-v диаграмма цикла представлена на рис.7.3.
В процессе впуска 0–1 в цилиндр посту-пает атмосферный воздух, в
процессе 1–2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха при закры- тых клапанах. Степени сжатия ε таковы (ε > 14), что температура воздуха в конце сжатия пре-вышает температуру самовоспламенения и в процессе 2–3 при постоянном давлении p
2
через форсунку впрыскивается топливо. Про-
цесс 2–3 изобарный подвод теплоты. Окончательное расширение продуктов сгорания происходит по адиабате 3–4. В НМТ открывается выпускной кла- пан, и часть отработавших газов удаляется при неподвижном поршне. Процесс 4–1 –
изохорный отвод теплоты.
В точке 1 давление равно атмосфер- ному, и дальнейшее удаление продуктов сгорания из цилиндра производится поршнем, движущимся к ВМТ Процесс 1–
0 – выхлоп.
Рис. 7.3. p – v диаграмма цикла ДВС с изобарным подводом теплоты
Характеристиками цикла являются степень сжатия
1 2
v v
 
и степень предварительного расширения
3 2
v v
 
Выразим температуры в узловых точках через характеристики цикла

,

и k и температуру

62 1
2 1
1 2
,
k
T
v
T
v



 



1 2
1
k
T
T

 
1 1
4 3
3 3
4 1
,
k
k
T
v
v
T
v
v
















3 3
2 1
2 1
v
v v
v
v
v




Для изобары 2–3 3
3 2
2
T
v
T
v

 
,
1 3
2 1
k
T
T
T


   
Тогда
1 1
1 4
3 1
1
k
k
k
k
T
T
T
T







 

 

 


 




 
Определим термический КПД цикла
2
t
1 1
q
q
  
Количества подведенной теплоты в процессе 2–3 и отведенной в процессе равно 4–1 равны
1 3
2
(
)
p
q
c T
T


,
2 4
1
(
)
v
q
c T
T


Подставив выражения для q
1
и q
2 и полученные значения температур в фор- мулу для термического КПД цикла, получим
4 1
4 1
t
3 2
3 2
(
)
1 1
(
)
(
)
v
p
c T
T
T
T
c T
T
k T
T


  
 


1
t
1 1
1 1
1 1
1 1
1
(
)
(
1)
k
k
k
k
k
T
k T
T
k



 
 
  
 

  

 
Из уравнения следует, что КПД зависит от степени сжатия ε, степени предварительного расширения ρ и показателя адиабаты k. С увеличением  и
k 
t увеличивается, а с увеличением  – уменьшается.
Лекция 13
Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
Газотурбинная установка представляет собой тепловой двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины, приводя- щей в движение, например, ротор электрического генератора или ротор осе- вого компрессора, сжимающего газ, транспортирующийся по газопроводу.
ГТУ широко используются в энергетике, авиации, на перекачивающих стан- циях магистральных газопроводов.

63
В зависимости от характера процесса горения топлива в камере сгора- ния (ГТУ p=const) и с горением топлива при постоянном объеме (ГТУ
V=const). Наиболее распространенными являются ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
Схема ГТУ с горением топлива при p=const приведена на рис. 7.4, а его изо- бражения на диаграммах состоя- ния – на рис. 7.5.
На общем валу находится газовая турбина ГТ, компрессор К, топ- ливный насос (компрессор) ТН и электрический генератор ЭГ (ес- ли ГТУ используется для
Рис. 7.4.
Принципиальная схема ГТУ
выработки электроэнергии).
Компрессор повышает давление воздуха из окружающей среды и направляет его в камеру сгорания КС. Туда же топливным насосом подается топливо, которое сгорает при p = const. Продукты сгорания производят работу на ло- патках турбины, а затем выбрасываются в атмосферу.
Рис. 7.5. p – v и T – s диаграммы цикла ГТУ
Характеристикой данного цикла является степень повышения давления воздуха в компрессоре

64 2
1
p
p

Процессы: 1–2 и 3–4 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре и адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины; 2–3 – изо- барный процесс горения топлива в камере сгорания (подвод теплоты q
1
к ра- бочему телу); 4–1 – изобарный отвод теплоты в окружающую среду (при вы- хлопе газов в атмосферу).
При расчете цикла будем считать, что рабочее тело является идеальным га- зом с неизменными свойствами и расходом.
Термический КПД цикла
2
t
1 1
q
q
  
Количества подведенной теплоты в процессе 2-3 и отведенной в процессе равно 4–1 равны
1 3
2
(
)
p
q
c T
T


,
2 4
1
(
)
v
q
c T
T


КПД цикла равен
4 1
4 1
t
3 2
3 2
(
)
1 1
(
)
p
p
c T
T
T
T
c T
T
T
T



 
 


Определим температуры, входящие в выражение для КПД.
Температуру T
2
найдем из уравнения адиабатного процесса 1–2:
1 1
1 1
2 1
2 2
,
k
k
k
k
T
p
T
T
T
p





 




Обозначив
3 2
v v


, определим T
3
из уравнения изобарного процесса 2–3:
1 3
3 3
2 3
1 2
2
,
,
k
k
v
T
T
T
T
T
v
T




 
T
4
найдем из уравнения адиабатного процесса 3– 4:
1 4
4 3
3
,
k
k
T
p
T
p



 



4 1
3 2
,
,
p
p
p
p


4 3
1 1
1
k
k
T
T
T


 


65
Подставив эти температуры в выражение для КПД, получим
1 1
t
1 1
1 1
1 1
1 1
k
k
k
k
k
k
T
T
T
T



 
  
 

 

Термический КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при p=const зависит от степени повышения давления и показателем адиабаты
k
. С увеличением β t
 цикла возрастает.
Регенерация теплоты в цикле ГТУ
Принципиальная схема такой установки приведена на рис.7.6. Регене- рация теплоты осуществляется в теплообменном аппарате Р, где воздух по- сле сжатия в компрессоре
К подогревается за счет подвода теплоты от вы- брасываемых из турбины газов имеющих сравни- тельно большую темпера- туру.
Рис. 7.6. Схема ГТУ с регенерацией теплоты
Цикл в T – s координатах изображен на рис. 7.7.
В регенеративном цикле теплота подво- дится в изобарном процессе а–3, а отво- дится в окружающую среду в изобарном процессе b–1. Теплота процесса 4–b теп- лота подводится к рабочему телу в про- цессе 2–а и таким образом используется в цикле.
Рис. 7.7. T – s диаграмма цикла ГТУ с регенерацией теплоты

66
Отношение количества регенерирующей теплоты к максимально воз- можному в данном цикле называется степенью регенерации .
При одинаковых теплоемкостях воздуха и продуктов сгорания
2 2
à
à
T
T
T
T


 

При степени регенерации  = 1 (предельная регенерация) температура воздуха на выходе из регенеративного теплообменника достигает макси- мального значения T
а
= T
а
. Нетрудно видеть, что регенерация увеличивает термический КПД p
p t
0 1
l
q
 
, так как не изменяет количества работы цикла, но уменьшает количество подведенной теплоты.
Лекция 14 8. ТЕРМОДИНАМИКА ЦИКЛОВ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
В паровых циклах рабочее тело испытывает фазовые превращения – парообразование и конденсацию. Это циклы транспортных и энергетических установок, в частности, тепловых и атомных электрических станций
Цикл Карно на влажном паре
Поскольку изобарные процессы фазовых переходов являются одновременно изотермическими и сопровождаются те- пловыми эффектами, то появляется принципиальная возможность подводить и отводить теплоту при постоянной тем- пературе в процессах парообразования и конденсации при различных давлениях.
Принципиальная схема установки, рабо- тающей по циклу Карно, изображена на рис.8.1.
Рис. 8.1 Цикл Карно на влажном паре

67
В паровом котле ПК при постоянном давлении p
1
и постоянной темпе- ратуре t
1
к кипящей воде подводится теплота, выделяющаяся при сгорании топлива. Сухой насыщенный пар из парогенератора поступает в паровую турбину ПТ. При адиабатическом расширении в турбине до давления p
2
и температуры t
2.
. располагаемая работа потока превращается в кинетическую энергию вращения ротора турбины соединенного с ротором электрогенера- тора ЭГ. С этими параметрами пар поступает в конденсатор К, где от пара отводится теплота при постоянных давлении и температуре. После конденса- тора влажный пар поступает в компрессор, адиабатически повышающем давление пара до давления в парогенераторе p
1
. Цикл в p-v и T-s координатах изображен на рис.8.2.
Рис. 8.2. .p – v и T – s диаграммы цикла Карно на влажном паре
Термический КПД цикла Карно равен
1 2
t
1
T
T
T

 

и имеет максимальное значение в данном интервале температур.
Как было сказано выше, цикл Карно на влажном паре принципиально осуществим, но реальные теплосиловые установки по этому циклу не рабо- тают, поскольку он обладает двумя существенными недостатками – невысо-