39_tot (1)-конвертирован. Курс лекций по дисциплине теоретические основы теплотехники удк 621 016 Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" Учеб пособие А. А. Джамалуева, 2020. 127 с

• Название: Курс лекций по дисциплине теоретические основы теплотехники удк 621 016 Краткий курс лекций по дисциплине "Теоретические основы теплотехники" Учеб пособие А. А. Джамалуева, 2020. 127 с
• Дата: 28.12.2021
• Размер: 0.66 Mb.
• Имя файла: 39_tot (1)-конвертирован.docx
• Тип: Курс лекций; #320815
• страница: 10 из 11

Поршневой компрессор



Одноступенчатый поршневой компрессор состоит (рис 3.1) из цилиндра 1 с пустотелыми стенками, в которых циркулирует охлаждающая вода, и поршня 2, связанного кривошипно-ползунным механизмом с электродвигателем или другим источником механической работы. В крышке цилиндра в специальных коробках помещаются два клапана: всасывающий 3 и нагнетательный 4, открывающиеся автоматически под действием изменения давления в цилиндре.






Рисунок 3.1 – Одноступенчатый поршневой компрессор Рабочий процесс компрессора совершается за 2 хода поршня.

При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан и в цилиндр поступает рабочее тело – газ. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие газа до заданного давления и нагнетание его в резервуар, из которого

сжатый газ направляется потребителю. После этого наступает повторение указанных процессов.

Рассмотрим процесс на РV-диаграмме (рис. 3.2).


P₂
V, м³
Рисунок 3.2 – Цикл одноступенчатого компрессора

При движении поршня слева направо открывается всасывающий клапан 3 и происходит наполнение цилиндра газом при постоянном давлении Р₁. Этот процесс изображается на диаграмме линией 01 – линией всасывания. При обратном движении поршня справа налево всасывающий клапан 3 закрывается, происходит сжатие газа. При достижении заданного давления весь сжатый газ выталкивается из цилиндра 1 при постоянном давлении через открывшийся нагнетательный клапан 4 в резервуар для хранения или на производство. Кривая 12 характеризует процесс сжатия. Линия 23 называется линией нагнетания. Следует отметить, что линии всасывания 01 и нагнетания 23 не изображают термодинамические процессы, т.к. состояние рабочего тела в них остается неизменным, а меняется только его количество. В начале следующего хода поршня слева направо нагнетательный клапан закрывается, давление в цилиндре Р₂ теоретически мгновенно падает до Р_1, открывается всасывающий клапан и далее повторяется весь рабочий процесс сжатия газа.

Сжатие газа может происходить 3 путями: по изотерме (1 –2’), по адиабате (1 –2’’), по политропе (1 - 2).

Работа на PV-диаграмме равна площади. По диаграмме (см. рис. 3.2) наглядно видно, что при сравнении площадей при разных способах сжатия наименьшей работа сжатия будет для изотермического процесса. Это широко используют в реальных компрессорах – для снижения энергетических затрат охлаждают корпус цилиндра водой или воздухом. Охлаждение дает возможность сжимать газ до более высоких давлений.

Действительная (реальная) диаграмма одноступенчатого компрессора (рис. 3.3) отличается от теоретической. Отличие, прежде всего, заключается в наличии потерь при дросселировании во всасывающем и нагнетательном клапанах. Вследствие этого всасывание происходит при давлении газа в цилиндре, меньшем давления среды, из которой происходит всасывание, а нагнетание происходит при давлении, большем давления в нагнетательном трубопроводе. Эти потери возрастают с увеличением частоты вращения компрессора.
2

3

_Р2 0 ₁

Р₁

^Vвр V₀ V

реаль
Рисунок 3.3 – PV –диаграмма ^Vп

ного компрессора

Кроме того, в реальном компрессоре между крышкой цилиндра и поршнем в его крайнем положении при выталкивании сжатого газа, чтобы не сломать клапан и крышку цилиндра, оставляют некоторый свободный объем, называемый вредным пространством. Объем вредного пространства обычно составляет 4-10% от

рабочего объема цилиндра компрессора V_п. По окончании нагнетания сжатого газа (линия 23) некоторое его количество остается во вредном пространстве цилиндра и занимает объем V_вр. При обратном ходе поршня вначале оставшийся газ расширяется до V₀ и всасывание новой порции газа начинается только тогда, когда давление газа упадет до давления всасывания или до давления той среды, откуда поступает газ. Процесс расширения остаточного газа изображается линией 30. при этом всасывание газа в цилиндр начинается только в точке 0 и в цилиндр поступает свежий газ, объем которого V = V_п - V_о. Вредное пространство уменьшает

количество засасываемого газа и тем самым уменьшает производительность компрессора. Отношение V/ V_о называют объемным коэффициентом полезного действия:

100%

.
Объемный КПД уменьшается с увеличением вредного пространства. При неизменном объеме вредного пространства с повышением давления сжатия объемный КПД и производительность компрессора также уменьшаются и в пределе объемный КПД превращается в нуль.

При сжатии газа повышается его температура, поэтому степень повышения давления ограничивается 8. Если степень повышения давления равна10, температура газа достигает 300^оС, что превышает температуру самовозгорания масел, применяемых для снижения трения поршня о стенки цилиндра.

Для получения газа высокого давления применяют многоступенчатые компрессоры, в которых сжатие газа осуществляют в нескольких последовательно соединенных

цилиндрах с промежуточным охлаждением газа после каждого сжатия. Это позволяет приблизить процесс сжатия до изотермического и, следовательно, уменьшить работу на сжатие. Степени повышения давления на каждой ступени выбирают одинаковыми для стабилизации работы компрессора.

3. 
   Вопросы для самоконтроля
   

1. 
   Охарактеризуйте область применения компрессоров.
   
2. 
   По какому признаку классифицируют компрессоры?
   
3. 
   В чем заключается принцип работы одноступенчатого поршневого компрессора? Какой режим сжатия более экономичный?
   
4. 
   Охарактеризуйте отличия PV-диаграммы реального и идеального компрессора.
   
5. 
   Чем ограничивается степень сжатия газа в компрессоре?
   

2. 
   Циклы газотурбинных установок
   
   1. 
      Газотурбинные установки
      

Источниками механической работы могут быть двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные (ГТУ) и паротурбинные (ПТУ) установки. Газотурбинные установки занимают промежуточное место по мощности между ДВС и ПТУ. Газотурбинные установки широко используются в авиации, в металлургии, на газокомпрессорных станциях.

Основные преимущества газотурбинных установок перед паротурбинными установками: отсутствие устройств для приготовления воды и пара; значительно меньшие размеры

установки; быстрый запуск установки; меньшие затраты при эксплуатации установки.

Недостатками газотурбинных установок являются меньший срок службы газовой турбины (температура газа 1000^оС и более) и меньшая единичная мощность (максимальная мощность ГТУ – 150 тыс. кВт, ПТУ – 1 млн. кВт).

Преимущества ГТУ перед поршневыми двигателями: относительно малая масса и небольшие габариты; большая единичная мощность; отсутствие деталей с возвратно- поступательным движением.

В газотурбинных установках рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуру и давление, из камеры сгорания направляется в сопло, в котором оно расширяется, и с большей скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.

Используют газотурбинные установки 2 видов: установки с подводом теплоты при постоянном давлении и установки с подводом теплоты при постоянном объеме.

2. 
   Циклы ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
   

Рассмотрим принцип работы простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при P = const (рис. 3.4). В компрессоре 2 воздух сжимается и подается в камеру сгорания 1. Насосом 3 в камеру сгорания 1 подается жидкое топливо, которое распыляется с помощью специальных форсунок. Смесь воздуха и топлива зажигается электрическим разрядом и постоянно сгорает. Продукты сгорания при P=const поступают в реактивное сопло 4, где расширяются. Из сопла продукты сгорания поступают на лопатки


газовой турбины 5, а затем выбрасываются в атмосферу. Исполнительным органом является генератор 6, который вырабатывает электроэнергию.
Рисунок 3.4 – Схема ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

Рассмотрим цикл установки на PV- диаграмме (рис. 3.5).
Р, Па

Рис. 3.5 – PV-диаграмма цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

На диаграмме изображено: 12 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 23 – изобарное подведение тепла q₁ к рабочему телу за счет сжигания топлива; 34 - адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины и выполнение полезной работы; 41 – изобарный выброс отработанных газов, при этом от рабочего тела

отводится тепло q₂.

Основными характеристиками установки являются:

• 
  степень повышения давления в компрессоре
  

;

• 
  степень предварительного расширения рабочего тела (степень изобарного расширения)
  

V

3 _;

V₂

• 
  коэффициент полезного действия
  

.
Определим величины q₁ и q₂ через параметры рабочего тела: q₁ = C_p (T₃ – T₂); q₂ = C_p (T₄ – T₁) .

Подставим полученные величины в выражение для термического КПД:
.
Анализ полученного уравнения показывает пути повышения КПД: получать более высокую температуру сгорания топлива (температура ограничивается свойствами материала лопаток, жаростойкостью материала) или уменьшать разность при выбросе отработанных газов в атмосферу.

Установлено также, что КПД зависит от степени повышения давления в компрессоре и показателя адиабаты:
.
Рассмотрим цикл установки на ТS- диаграмме (рис. 3.6).

T T₃ T₂ T₄
6 5

Рисунок 3.6 - TS-диаграмма цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении

Обозначение процессов на рис. 3.6 аналогично приведенному на рис. 3.5:12 – адиабатное сжатие; 23 – изобарное подведение тепла; 34 – адиабатное расширение ; 41 – изобарный выброс газов.

Площадь, ограниченная линией процесса и крайними ординатами, на TS-диаграмме эквивалентна теплоте – количество подведенной теплоты соответствует площади 62356, а отведенной

– площади 61456. На диаграмме легко можно показать, что при увеличении давления повышается температура воздуха и тогда увеличивается количество полезной теплоты.

3. 
   Циклы ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме
   

Для осуществления такого цикла необходимо к предыдущей установке добавить емкость - ресивер (сосуд большой вместительности для выравнивания давления; с его помощью поддерживается постоянное давление воздуха). Кроме этого изменяется конструкция камеры сгорания, где устанавливается клапан, который периодически выпускает продукты сгорания.

Рассмотрим принцип работы. В компрессоре воздух сжимается и поступает в ресивер. С помощью клапана сжатый воздух

периодически подается в камеру сгорания. Насос подает через клапан топливо в камеру сгорания. Клапан в камере сгорания во время подачи воздуха и топлива закрыт. Поэтому смесь воздуха и топлива сжигается при постоянном объеме. Воспламенение происходит от электрической искры. После сгорания смеси температура и давление продуктов сгорания увеличиваются и открывается клапан. Определенная порция продуктов сгорания через сопло подается на газовую турбину. Потом цикл повторяется.

Рассмотрим цикл на PV-диаграмме (рис. 3.7). На диаграмме: 12

– адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 23 – изохорное подведение тепла к камере сгорания; 34 – адиабатное расширение продуктов сгорания в газовой турбине и выполнение полезной работы; 41 – линия изобарного выброса отработанных газов и отведение тепла в окружающую среду.

P

3

q

^P3 ²

P ₁


дво
^P q ⁴

Рисунок 3.7 – PV-диаграмма цикла ГТУ с по

при постоянном объеме

Характеристики цикла:

^V дом теплоты

1. 
   степень повышения давления ;
   

2. 
   степень добавочного повышения давления ;
   

3. 
   термический коэффициент полезного действия
   

_t1 1 k _,
где к – показатель адиабаты.

Термический КПД такого цикла зависит от степени повышения давления β и степени добавочного повышения давления λ: он увеличивается с возрастанием этих величин.

Рассмотрим цикл на TS-диаграмме (рис.3.8) и сравним его с циклом с подводом теплоты при Р = const. При сравнении циклов целесообразно исходить из одинаковых максимальной температуры цикла и степени повышения давления в компрессоре.

Т


6 5 5’ S
Рисунок 3.8 – TS-диаграмма цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме

На диаграмме изображены цикл 12341 c подводом теплоты при V=const и цикл 123’4’1 с подводом теплоты при P=const:

12 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 23 – изохорное подведение теплоты ;

23’ – изобарное подведение теплоты;

34 – выполнение полезной работы в установке с V = const; 3’4' – выполнение полезной работы в установке с P = const; 41 (4’1) – линия изобарного выброса отработанных газов.

Как видно из диаграммы, КПД цикла ГТУ с подводом теплоты при V=const выше, чем при P=const за счет относительно меньшего количества отведенной теплоты (14561 и 14’5’61) и относительно большего количества подведенной теплоты (23562 и 23’5’62).

В реальных условиях приходится учитывать сложность конструктивного выполнения цикла с подводом теплоты при V=const, а также понижение КПД турбины и компрессора, работающих с периодически меняющимися перепадами давлений. На практике поэтому оказался более приемлемым газотурбинный двигатель с подводом теплоты при Р=const как конструктивно более простой.

4. 
   Методы повышения КПД газотурбинных установок
   

Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при Р=const растет c увеличением степени повышения давления (β). Однако с ростом β увеличивается и температура газов в конце сгорания топлива, в результате чего быстро разрушаются лопатки турбин и сопловые аппараты, охлаждение которых затруднительно. Для увеличения КПД ГТУ применяют регенерацию теплоты, многоступенчатое сжатие воздуха в компрессоре, многоступенчатое сгорание и т.д. Это дает значительный эффект и повышает в установках степень совершенства превращения теплоты в работу.

Рассмотрим применение регенерации теплоты в ГТУ с подводом теплоты при Р = const (рис. 3.9). Сжатый воздух из компрессора 4 направляется в регенератор 5, где получает теплоту при Р = const от газов, вышедших из камеры сгорания 1 через сопло 2 в турбину 3. Подогретый воздух из регенератора 5, а топливо из топливного насоса 6 через форсунки направляются в камеру сгорания 1.


6


Рисунок 3.9 – Схема ГТУ с подводом теплоты при Р=const и регенерацией

Идеальный цикл такой ГТУ на PV-диаграмме изображен на рис. 3.10, где 12 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 23 – изобарное подведение теплоты в регенераторе; 53 – подвод теплоты при P = const в камере сгорания; 34 – адиабатное расширение продуктов сгорания; 46 – изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе; 61 - изобарный отвод теплоты от газов по выходе из регенератора (выхлоп отработанных газов в окружающую среду).

За счет использования тепла отработанных газов полезная работа в таких циклах увеличивается на площадь 25462.