лекции энергетические установки. Лекции Энергетические установки. Конспект лекций по дисциплине энергетичесские установки подъемнотранспортных, строительных, дорожных средств и оборудования

• Название: Конспект лекций по дисциплине энергетичесские установки подъемнотранспортных, строительных, дорожных средств и оборудования
• Анкор: лекции энергетические установки
• Дата: 30.01.2020
• Размер: 1.23 Mb.
• Имя файла: Лекции Энергетические установки.docx
• Тип: Конспект; #106404
• страница: 1 из 2

Конспект лекций по дисциплине

«ЭНЕРГЕТИЧЕССКИЕ УСТАНОВКИ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ, СТРОИТЕЛЬНЫХ, ДОРОЖНЫХ СРЕДСТВ И ОБОРУДОВАНИЯ»

Раздел I Термодинамика

Основные определения

Техническая термодинамика изучает законы взаимного превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и связанных с переходами энергии между телами, чаще всего в форме теплоты и работы. На ее основе осуществляется расчет и проектирование всех тепловых двигателей и всевозможного технологического оборудования.

Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами - внешней средой.

При механическом взаимодействии самой системой или над ней системой совершается работа. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой.

Простейшей термодинамической средой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Термодинамические параметры состояния.

Свойства каждой системы характеризуется рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них.

1. Давлением жидкости, газа или пара называют силу, действующую равномерно на площадь. Единица давления – единица силы, действующая равномерно на единицу площади.

Давление обозначается Р, измеряется в Паскалях (Па). Паскаль – давление, вызываемое силой в 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м², т.е. 1Па=1Н/м²; 1кПа=1000Па; 1МПа=10⁶Па; 1атм=101,325 кПа=760 мм рт.ст; 1мм рт.ст.133 Па; 1 бар=0,1МПа; 1мбар=100Па.

Виды давления:

Различают области абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (абсолютного вакуума), и избыточного давления, т.е. разности между давлением жидкости и газа и давлением окружающей среды р_атм.. Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.

Манометры измеряют избыточное давление р_изб, представляющее собой разность между полным (абсолютным) давлением р измеряемой среды и атмосферным давлением р_атм , т.ер_атм=р_изб+b; b – давление измеренное барометром; р_изб=р-р_атм

Приборы для измерения давления ниже атмосферного называются вакуумметры, их показания дают значения разряжения т.е. избыток атмосферного давления над абсолютным, р_в=р_атм-р.

2. Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Это определение температуры субъективно. Действительно, если мы попытаемся определить температуру воды на ощупь (рукой), то в зависимости от того, в какой среде находилась рука до погружения в воду, вода покажется нам теплее или холоднее.

Можно попытаться определить температуру комнатной воды, погружая туда обе руки, причем, одна из рук была до погружения в тепле, а другая под струей холодной воды. Тогда для одной руки вода покажется холодной, а для второй, находившейся под струей холодной воды – теплой.

Быстро вынув обе руки из воды и приведя их в соприкосновение, мы через некоторое время почувствуем, что степень их нагретости стала одинаковой – в термодинамической системе, состоящей из двух рук, наступило состояние теплового равновесия. Теперь, погружая любую из рук в воду, мы будем получать однозначное представление о температуре воды, разумеется, при условии неизменности температуры окружающей среды.

Отсюда можно определить температуру как меру отклонения термодинамического состояния системы от произвольно выбранного состояния ее теплового равновесия.

Другое понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

Абсолютная температура Т измеряется в Кельвинах –К. В системе СИ: в Цельсиях – 0С. Т=t+273.

В Англии, США и некоторых других странах для измерения температуры принята шкала Фаренгейта (⁰F), в которой за 0⁰ принята температура таяния смеси льда с поваренной солью, а температура кипения воды равна 212⁰F; при этом температура таяния льда в этой шкале равна 32⁰F.

Таким образом 1⁰F = 5/9⁰С.

Поэтому t^oC=5/9 (t^oF – 32^o).

t^oF =5/9 ^oC=5/9 t^oC + 32^o.

3. Удельный объем – это объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой М занимает объем V, то по определению v=V/m. В системе СИ единица измерения 1 м³/кг. Между удельным объемом и плотностью существует соотношение: v=1/.

Нормальные физические условия:

Р=760 мм рт.ст.=101,325 кПа

Т=273=0⁰С.

Если термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным.

Если между различными точками в системе существуют разности температур, давлений и других параметров, то она является неравновесной.

Опыт показывает, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может.

Уравнение состояния идеального газа.

Под идеальным газом понимают воображаемый газ, в котором отсутствуют силы притяжения между молекулами, а собственный объем молекул исчезающе мал по сравнению с объемом межмолекулярного пространства. Таким образом, молекулы идеального газа принимаются за материальные точки.

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния. Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление простейших систем связаны термодинамическим уравнением состояния вида:f(p,v,T)=0

Для однородного идеального газа уравнение состояния идеального газа имеет вид:

pv/T=const=R,

где R – удельная газовая постоянная - Дж/(кгК).

R – есть работа расширения 1 кг газа при нагревании его на 1 градус при изобарном процессе.

p – давление - Па;

v – объем - м³/кг;

Т – температура – К.

Всякий реальный газ при малой плотности и не слишком высоких температурах ведет себя как идеальный, и его свойства с высокой точностью описываются уравнением (Клапейрона):

pv =RТ,

поэтому можно считать, что идеальный газ есть предельный случай реального газа при р  0 (v).

Это уравнение можно записать для произвольного количества (массы) m однородного газа:

pV=mRT,

где m – молярная масса газа, выражаемая в кг/моль.

Это уравнение получило название Клапейрона – Менделеева для идеального газа.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

В основном в ДВС используется три вида циклов:

1. 
   Цикл с подводом тепла при постоянном объеме (используется в карбюраторных двигателях – цикл Отто).
   
2. 
   Цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл дизеля).
   
3. 
   Цикл с комбинированным подводом тепла при постоянном давлении и постоянном объеме (цикл Тринклера – Сабате).
   

Рассмотрим каждый из них.

Цикл с подводом тепла при постоянном объеме состоит из двух адиабат и двух изохор.



Характеристиками цикла являются:

- степень сжатия;

- степень повышения давления.

Количество подведенного тепла:

q₁=c_v(T₃-T₂)

Количество отведенного тепла (абсолютное значение):

q₂=c_v(T₄-T₁)

Работа цикла:

a₀=q₁-q₂

Термический КПД цикла:



Цикл с подводом тепла при постоянном давлении состоит из двух адиабат, одной изобары и одной изохоры.



Характеристиками цикла являются:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения.

Количество подведенного тепла:

q₁=c_p(T₃-T₂)

Количество отведенного тепла (абсолютное значение):

q₂=c_v(T₄-T₁)

Работа цикла:

a₀=q₁-q₂

Термический КПД цикла:



Цикл с комбинированным подводом тепла состоит из двух адиабат, двух изохор и одной изобары.



Характеристиками цикла являются:

- степень сжатия;

- степень предварительного расширения.

- степень повышения давления.

Количество подведенного тепла:

q₁=c_v(T₃-T₂)+c_p(T₄-T₃).

Количество отведенного тепла (абсолютное значение):

q₂=c_v(T₅-T₁)

Термический КПД цикла:



Во всех приведенных теоретических циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания уравнение для определения количества подведенного и отведенного тепла, а так же для термического КПД даны для случая с=const.

Отношение полного объема цилиндров к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя =v₁/v₂.

Степень сжатия является основным параметром, определяющим термический КПД цикла. Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания увеличивается с ростом степени сжатия .

Увеличение КПД ДВС с ростом степени сжатия  объясняется связанным с этим повышением максимальной температуры цикла.

Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9-10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, 18, что позволяет существенно повысить КПД цикла.

Используя в качестве рабочего тела неразбавленные продукты сгорания, ДВС имеют самый высокий из всех тепловых машин КПД. Однако инерционные силы, связанные с возвратно-поступательным движением поршня, возрастают с увеличением, как размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС большой мощности. Большим недостатком являются и высокие требования к качеству потребляемого топлива (жидкого или газа).

ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (автомобили, тепловозы, небольшие самолеты) и применяются в качестве небольших стационарных двигателей.

ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК.

Газотурбинные установки относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется в турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

Газотурбинные установки по сравнению с поршневыми двигателями обладают целым рядом технико-экономических преимуществ:

1. 
   простота силовой установки;
   
2. 
   отсутствие поступательно движущихся частей;
   
3. 
   получение больших чисел оборотов, что позволяет существенно снизить вес и габариты установки;
   
4. 
   получение больших мощностей в одном агрегате;
   
5. 
   осуществление цикла с полным расширением и тем самым с большим термическим кпд;
   
6. 
   применение дешевых сортов топлива (керосин).
   

Эти преимущества ГТУ способствовали ее распространению во многих областях техники, особенно в авиации.

В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. Термодинамическое изучение этих циклов базируется на предположениях: циклы обратимы; подвод теплоты происходит без изменения химического состава рабочего тела цикла; отвод теплоты предполагается обратимым; гидравлические и тепловые потери отсутствуют; рабочее тело представляет собой идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

К числу возможных идеальных циклов ГТУ относят:

• 
  цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;
  
• 
  цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;
  
• 
  цикл с регенерацией теплоты.
  

Во всех циклах ГТУ отвод теплоты при наличии полного расширения в турбине производится при постоянном давлении. Из перечисленных циклов наибольшее распространение получил цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.



Термодинамический цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении на PV- и TS-диаграммах

Компрессор 1, приводимый в движение газовой турбиной 2, подает сжатый воздух в камеру сгорания 5, в которой через форсунку 6 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 7, находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате 4 и частично на рабочих лопатках 3 и выбрасываются в атмосферу. Цикл изображается на р-v и Т-s-диаграммах в виде пл. асze. Работа цикла на р-v –диаграмме представляет собой разность площадей 1ez2 и 1ac2, соответственно равных работе турбины и компрессора.

В диаграммах: ас – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; сz – подвод теплоты в камеру сгорания при р=const; zе – адиабатное расширение газа в турбине; ea – изобарная отдача газом теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются:

Степень повышения давления воздуха:



степень предварительного расширения:



Термический кпд цикла определяют из общего выражения:



где

q₁ = c_p(T_z – T_c) q₂ = c_p(T_e – T_a)

Параметры газа в узловых точках цикла находят по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах.

Точка с:



Точка z:



Точка e:



кпд цикла:





работа цикла:



Термический кпд ГТУ при данном рабочем теле зависит только от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом  термический кпд цикла увеличивается.

При неизменном q₁ и повышении  уменьшается количество теплоты, отдаваемое газом в холодильник, а это приводит к увеличению термического кпд цикла.

Повышение  благоприятно сказывается на экономичности ГТУ, но приводит к увеличению температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Величины этой температуры лимитируются жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки.

РАЗДЕЛ II

Теплопередача