Лекция 4. Циклы теплосиловых установок. Лекция Циклы теплосиловых установок Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (двс)
 Скачать 0.95 Mb.
|
|
Лекция 4. Циклы теплосиловых установок 4.1. Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ДВС представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Преимущества ДВС, по сравнению с другими типами тепловых двигателей: 1. Большая коМПактность. Благодаря тому, что у ДВС горячий источник теплоты находится внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод теплоты от горячего источника к рабочему телу. 2. Более высокий температурный диапазон. В тепловых двигателях с внешним подводом теплоты верхний предел температуры рабочего тела ограничен температурой, допустимой для конструкционных материалов, а в ДВС рабочее тело получает теплоту не через стенки двигателя, а за счет тепловыделений в объеме самого рабочего тела, которое может существенно превосходить этот предел. Принудительное охлаждение цилиндра позволяет снизить нижний предел. Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, соединенным посредством кривошипно–шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасывание рабочего тела (воздуха или горючей смеси), а через другое – выброс рабочего тела (продукты сгорания) по завершении цикла. Последовательность процессов в цилиндре ДВС: 1. Всасывание. Поршень из крайнего верхнего положения идет вниз, через всасывающий клапан топливная смесь (воздух в дизельном ДВС) поступает в цилиндр. 2. Сжатие. Поршень движется вверх, оба клапана закрыты, смесь (воздух в дизеле) сжимается, одновременно повышается температура в цилиндре. В дизельном ДВС в конце сжатия в цилиндр специальным насосом подается порция топлива. 3. Расширение(рабочий ход). Оба клапана закрыты, за счет электрической искры в карбюраторном ДВС (или под воздействием высокой температуры в дизельном ДВС) топливо воспламеняется и сгорает. При этом совершается работа. 4. Выхлоп. Выхлопной клапан открывается, поршень идет вверх и выталкивает продукты сгорания. Таким образом, весь рабочий процесс совершается за четыре хода поршня (такта), поэтому эти двигатели называются четырехтактными. Коленчатый вал за это время делает два оборота. Реальный цикл ДВС – это разомкнутый цикл, рабочее тело засасывается извне, и по окончании цикла выбрасывается в атмосферу. Таким образом, в каждом цикле участвует новая порция рабочего тела. Кроме того, в реальном ДВС присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур, конечные скорости движения поршня и т. д. Будем рассматривать идеальные замкнутые циклы. Прежде чем перейти к термодинамическому анализу этих циклов, сделаем следующие допущения: – рабочим телом будем считать воздух, совершающий замкнутый процесс внутри цилиндра, а значит, количество рабочего тела постоянно; – все расчеты проведем в удельных величинах – для 1 кг рабочего тела; – теплоемкости воздуха c v и c p постоянны, т. е. газ совершенный; – все термодинамические процессы – обратимые; – подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты; – то же и для отвода теплоты. Термодинамическими циклами ДВС называются циклы, в которых процессы подвода и отвода тепла осуществляются на изобарах и изохорах (p = const, v = const), а процессы сжатия и расширения протекают адиабатно (dq = 0) при неизменном количестве рабочего тела на всех стадиях процесса. Различают три основных вида двигателей: поршневые, турбинные и реактивные. Основными характеристиками или параметрами любого цикла теплового двигателя являются следующие безразмерные величины: – степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия) ε = v 1 /v 2 ; – степень повышения давления λ (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты); – степень предварительного расширения ρ (отношение удельных объемов в конце и в начале изобарного процесса подвода теплоты). В поршневых двигателях осуществляется рабочий процесс при непрерывном изменении объема. Основные рабочие процессы (сжатие, подвод теплоты, расширение) осуществляются последовательно в одном и том же заданном объеме. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания подразделяют на три группы: 1) цикл Отто (сгорание при v = const) (карбюраторные ДВС); 2) цикл Дизеля (сгорание при p = const) (компрессорные дизели). Эти циклы не нашли широкого применения, так как имеют очень большой коэффициент сжатия; 3) цикл Тринклера со смешанным подводом теплоты. Сначала сгорание происходит при v = const, а догорание остатков топлива при p = const (бескомпрессорные дизели). Для теоретического анализа работы ДВС в технической термодинамике рассматриваются идеальные обратимые циклы. Зная численные значения коэффициентов ε, λ и ρ, можно легко определить тип цикла (ρ = 1 – цикл Отто, λ = 1 – цикл Дизеля, λ и ρ > 1 – цикл Тринклера). Для расчета термических параметров состояния, к которым относятся температура, давление и удельный объем (T, p, v), во всех узловых точках любого цикла необходимо использовать уравнения состояния тех термодинамических процессов, которые участвуют в цикле, и уравнение состояния Клапейрона – Менделеева. Для определения калорических параметров состояния, к которым относятся удельные внутренняя энергия, энтальпия и энтропия (u, i, s), а также величины работы, технической работы, количества теплоты (l, l т , q) и КПД цикла, необходимо использовать уравнения первого закона термодинамики и уравнение для расчета КПД через количество подведенного и отведенного тепла. Цикл Отто Диаграмма реального поршневого ДВС представлена на рис.15. Рассмотрим его работу на примере четырехтактного двигателя. Рис.1.15. 1–й такт (а–1) соответствует всасыванию в рабочий цилиндр горючей смеси (воздух с парами бензина). 2–й такт. Осуществляется процесс адиабатного сжатия (1–2) и температура смеси растет до T 2 . С помощью свечи зажигания происходит воспламенение горючей смеси, которая сгорает при постоянном объеме (2–3).Температура и давление при этом быстро возрастают, и к системе подводится количество теплоты q 1 3–й такт. Совершается адиабатное расширение (3–4). В точке 4 открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр (4–а). Давление в цилиндре падает и отводится тепло q 2 4–й такт соответствует выталкиванию оставшихся в цилиндре газов в атмосферу (1– а). Затем процесс повторяется. Описанный процесс является необратимым вследствие наличия трения, химических реакций в рабочем теле, конечных скоростей поршня, теплообмена при конечной разности температур и т. п. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего сгорания показана на рис. 16. Идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабаты сжатия 1–2 и адиабаты расширения 3–4) и двух изохор (изохоры подвода тепла 2–3 и изохоры отвода тепла 4–1). Работа, производимая за один цикл, изображается площадью 1–2–3–4–1 на рис. 16. Величина термического КПД цикла Отто определяется по формуле Î 1 1 ε k η = , где 1 2 v v – степень сжатия. Таким образом, КПД цикла Отто зависит от степени сжатия ε в адиабатном процессе 1 – 2 и показателя адиабаты k или от природы рабочего тела. КПД увеличивается с возрастанием ε и k. Однако, практически осуществить сжатие до слишком высоких значений ε не удается, так как сопутствующее повышение температуры еще до прихода поршня в верхнее крайнее положение вызывает преждевременное самовоспламенение горючей смеси (детонация), что приводит к быстрому разрушению конструкции. Степень сжатия зависит от качества топлива, повышаясь с улучшением его антидетонационных свойств, характеризуемых октановым числом. В связи с этим степень сжатия в карбюраторных ДВС не превышает 8–10. Работа цикла Отто может быть рассчитана по формуле Î 1 Î 3 2 1 1 1 v k l q η c T T Цикл Дизеля Степень сжатия ε в цикле можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем, после окончания процесса сжатия, вводить в цилиндр горючее, которое там самовоспламеняется и постепенно сгорает. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (немецкий инженер Р. Дизель построил в 1897 г. двигатель, работающий по этому циклу). Степень сжатия в дизельных ДВС существенно выше, чем в карбюраторных, и достигает значений ε = 16–18. Идеализированный цикл Дизеля состоит из двух адиабат – адиабаты сжатия 1–2 и адиабаты расширения 3–4, изобары 2–3 подвода тепла 1 q от горячего источника и изохоры 4– 1 по которой осуществляется отвод тепла 2 q к холодному источнику (рис. 17). В процессе 1–2 чистый воздух с температурой Т 1 сжимается до температуры Т 2 , которая больше температуры воспламенения топлива. В этот момент в цилиндр через форсунки под давлением впрыскивается топливо. В процессе 2–3 горючая смесь самовоспламеняется, и сгорание топлива происходит при постоянном давлении, при этом к рабочему телу подводится тепло q 1 и поршень перемешается обратно. В процессе 3–4 поршень продолжает перемещаться в нижнюю мертвую точку, давление падает (адиабатное расширение). В процессе 4–1 (отвод теплоты q 2 при постоянном объеме) отработанные газы через выпускной клапан покидают рабочий цилиндр. Работа, производимая за один цикл, изображается площадью 1 – 2 – 3 – 4 – 1 на рис. 1.17. Термический КПД цикла Дизеля определяется по формуле Ä 1 1 ρ 1 1 = 1 ρ 1 ε k k k , где 1 2 v v – степень сжатия; 3 2 v v – коэффициент предварительного расширения в изобарном процессе сгорания (рис. 17). Термический КПД цикла Дизеля зависит от степени сжатия ε, показателя адиабаты k и степени предварительного расширения ρ. С увеличением ε и k КПД увеличивается, а с увеличением ρ – уменьшается. При одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты по изохоре будет иметь более высокий КПД, чем цикл с подводом теплоты по изобаре. Однако сравнение КПД этих циклов при условии одинаковых значений ε вряд ли правомерно, так как преимуществом цикла Дизеля по сравнению с циклом Отто является именно достижение более высоких степеней сжатия. Поэтому двигатель Дизеля имеет более высокий КПД. Кроме того, двигатель Дизеля может работать на более низкосортном топливе. Основным недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является более сложная конструкция, связанная с устройством компрессора для сжатия топлива и форсунок для его распыления. Кроме того, наличие компрессора уменьшает экономичность двигателя, т. к. на его работу затрачивается 6–10 % от общей мощности двигателя. Но, учитывая высокую стоимость топлива и тенденцию к дальнейшему её повышению, следует отдавать предпочтение двигателям с подводом теплоты по изобаре. Работа цикла Дизеля может быть рассчитана по формулам: Ä 2 3 2 3 3 4 4 2 2 1 1 Ä 1 3 2 1 1 ; 1 1 1 ( 1) ðàñø ñæ k p k l l l p v v p v p v p v p v k l q c T T k Цикл Тринклера Проект бескомпрессорного двигателя со смешанным подводом теплоты впервые (1904 г.) разработал русский инженер Г.В. Тринклер. Этот цикл является как бы «гибридом» циклов Отто и Дизеля и лишен их недостатков. Благодаря специальной конструкции дополнительного отсека цилиндра (форкамеры) часть топлива, смешанная с воздухом, сгорает сразу, а остальная часть догорает уже при перемещении поршня. Идеализированный цикл Тринклера состоит из пяти последовательных процессов (рис.18). В процессе 1–2 за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, воздух в рабочем цилиндре сжимается адиабатически и нагревается до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкого топлива, подаваемого в форкамеру. В результате в форкамере происходит быстрое сгорание части топлива (изохорный процесс 2–3). Температура при этом повышается и давление в форкамере растет, что приводит к проталкиванию в камеру сгорания смеси несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания, где и происходит догорание оставшегося топлива (изобарный процесс 3–4). Поршень в рабочем цилиндре перемещается вправо практически при постоянном давлении. Дальнейшее расширение происходит по адиабате 4–5, после чего отработанные газы удаляются из цилиндра (изохорный процесс 5–1). Работа, производимая за один цикл Тринклера, изображается площадью 1–2–3–4–5–1 на рис.18. Величина термического КПД цикла Тринклера определяется по формуле 1 1 1 1 1 1 k T k - k , где 1 2 v v – степень сжатия; 3 2 p p – степень повышения давления в изохорном процессе сгорания, а 4 3 v v – степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорания. Работа цикла Тринклера может быть рассчитана по формуле: ðàñø ñæ 4 5 4 5 5 3 3 2 2 1 1 1 1 l l l ð v v ð v ð v ð v ð v k Увеличение КПД ДВС с ростом степени сжатия объясняется связанным с этим повышением максимальной температуры цикла. Максимальная степень сжатия в Рис. 18 карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 8–10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, 18 , что позволяет существенно повысить КПД цикла. Сравнение КПД циклов Отто, Дизеля и Тринклера показывает, что при одинаковых степенях сжатия ε цикл с подводом теплоты при = const, p реализуемый в дизелях, имеет больший КПД, чем цикл с подводом теплоты при = const v (цикл Отто) и цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера), поскольку при одинаковом количестве отданной холодному источнику теплоты количество подведенной теплоты при = const v (линия 2a–4 на ) меньше, чем при смешанном подводе теплоты (линия 2–3–4) и p = const (линия 2b–4) – рис. 19. ДВС имеют самый высокий КПД из всех тепловых двигателей. Однако инерционные силы, связанные с возвратно–поступательным движением поршня, возрастают как с увеличением размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС большой мощности. Большим их недостатком являются также и высокие требования к качеству потребляемого топлива. ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (прежде всего автомобили, тепловозы и небольшие самолеты). 4.2. Циклы газотурбинных установок (ГТУ) Цикл Гемфри Идеализированный цикл ГТУ Гемфри (цикл с подводом теплоты по изохоре) состоит из четырех последовательных процессов (рис. 20): адиабаты сжатия 1–2, изохоры 2–3 подвода тепла 1 q от горячего источника, адиабаты расширения 3–4 и изобары 4–1, по которой осуществляется отвод тепла 2 q к холодному источнику. Работа, производимая за один цикл Гемфри, изображается площадью 1–2–3–4–1 на рис. 20. Величина термического КПД этого цикла определяется по формуле 1 1 1 1 1 , 1 k t k где 1 2 v v – степень сжатия; 3 2 p p – степень повышения давления в изохорном процессе сгорания. Рис. 19 Рис. 20. Цикл Гемфри Цикл Брайтона Идеализированный цикл Брайтона – цикл ГТУ с подводом теплоты по изобаре. Он также состоит из четырех последовательных процессов (рис. 21): адиабаты сжатия 1–2; изобары подвода тепла 1 q от горячего источника 2–3; адиабаты расширения 3–4 и изобары 4–1, по которой осуществляется отвод тепла 2 q к холодному источнику (рис. 21). Работа, производимая за один цикл Брайтона, изображается площадью 1–2–3–4–1 на рис. 21, и равна разности работ турбины и компрессора: l гту = l т – l к Работа турбины определяется как l т = i 3 – i 4 , а работа компрессора l к = i 2 – i 1 Термический КПД этого цикла определяется по формулам: 1 2 1 1 2 1 1 1 1 ; 1 ; ; t t k k k v p v p Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр. Сравнение циклов ГТУ при одинаковых значениях соотношений давлений сжатия в компрессоре и одинаковых температурах перед турбиной Т 3 показывает, что термический КПД цикла Гемфри несколько выше, чем КПД цикла Брайтона. Вместе с тем в реальных установках эффективность цикла ГТУ с подводом тепла при v = const ниже, чем при p = const, из–за снижения КПД турбины. Кроме того, такая схема предусматривает более сложную конструкцию камеры ГТУ. По указанным причинам ГТУ со сгоранием при v = const не имеют широкого применения в технике. Эффективность ГТУ простейшей схемы с подводом тепла при p = const может быть повышена, если в цикле осуществить регенеративный подогрев воздуха, поступающего в Рис. 21. Цикл Брайтона камеру сгорания, за счет теплоты продуктов сгорания, выходящих из турбины. Такие ГТУ называются газотурбинными установками с регенерацией теплоты. 4.3. Циклы паротурбинных установок (ПТУ) Современная стационарная теплоэнергетика базируется в основном на паровых теплосиловых установках. Продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь промежуточным теплоносителем (в отличие от ДВС и ГТУ), а рабочим телом служит чаще всего водяной пар. Паротурбинная установка является основой современных тепловых и атомных электростанций. Основным циклом в паротурбинной установке является цикл Ренкина. Паротурбинная установка (ПТУ) предназначена для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях. Рабочим телом ПТУ является водяной пар, агрегатное и фазовое состояние которого изменяется в процессе цикла (кипящая вода, влажный и сухой насыщенный пар). Продукты сгорания топлива в ПТУ являются только промежуточным теплоносителем в отличие от двигателей внутреннего сгорания. Принципиальная схема ПТУ показана на рис. 22. Процесс получения работы происходит следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4). Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (9) в паровой котел (1). Рассмотрим цикл Ренкина на насыщенном паре. Схема установки отличается от предыдущей схемы тем, что в данном случае отсутствует перегреватель. Поэтому на турбину будет поступать насыщенный пар. На рис. 23(а) изображен цикл Ренкина на (T–s) –диаграмме. Процессы: Рис. 22 Принципиальная схема ПТУ (a) (b) Рис. 23. Цикл Ренкина на насыщенном (а) и перегретом (b) паре 3–1 – подвод теплоты от источника q 1 состоит из двух процессов: 3–3' – кипение воды в котле; 3'–1 – испарение воды в пар при постоянном давлении; 1–2 – в турбине пар расширяется адиабатно; 2–2' – пар конденсируется и отдает тепло q 1 охлаждающей воде; 2'–3 – конденсат адиабатно сжимается. Термический КПД цикла Ренкина определяется отношением работы цикла к количеству подведенного тепла: ö 1 t l q Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса: l ц = l т – l н , где l т = i 1 – i 2 , 3 2 í i i l Количество подведенного и отведенного тепла определяется как 1 1 3 2 2 2 ; q i i q i i В большинстве случаев l т >> l н и тогда можно считать, что l ц = l т Учитывая выражения для l т и q 1 , получим КПД цикла в виде 1 2 1 3 t i i i i Теоретическую мощность турбины, Вт рассчитывают по формуле 1 2 ò ( )·G , 3600 i i N где G = 3600·m – часовой расход, кг/ч; m – секундный расход, кг/с. Цикл Ренкина на перегретом паре применяется для увеличения термического КПД цикла ПТУ. Для этого перед турбиной ставят перегреватель 2 (рис. 22), который увеличивает температуру и давление пара. При этом возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле. Диаграмма цикла показана на рис. 23(b). При этом формулы для расчета работы, КПД и теоретической мощности остаются без изменений. |