книги / Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок

Для теоретического цикла идеального газа можно запи­ сать:

Соответственно термический к.п.д. идеального регене­ ративного цикла

t l i - 1 - c p[Tb- T x- T 3 + Tb]l[cv(? i-T t)]. (3.55)

Выражая все температуры цикла через а и X, а также степень повышения температуры в регенераторе у = Т3/Т2, получим

На рис. 3.24 штриховой линией нанесен процесс подвода тепла 231при отсутствии регенерации. При этом цикл ГТУ соответствует контуру 1 2 3 '4 имеющему то же значение степени повышения давления а и ту же максимальную тем­ пературу (7V = Т4). Как видно, средняя температура под­ вода тепла в регенеративном-цикле выше, а средняя темпе­ ратура отвода тепла в нем ниже, чем в нерегенеративном цикле. Следовательно, rjipcr > т] t.

Соответственно отводимое в нерегеиеративном цикле тепло q2 будет больше, чем в регенеративном на величи­ ну Д<7г ^ пл- 4'689. Максимальное давление в цикле от введения регенерации уменьшается, работа сжатия остает­ ся неизменной. Вместе с тем удельная работа сжатия в ре­ генеративных циклах фсж оказывается большей по причине уменьшения подводимого тепла qlt что снижает рост внут­ реннего к.п.д. таких циклов.

7

т

Термодинамическое сравнение циклов. Сравнивать между собой циклы ГТУ можно при различных условиях. Такими условиями могут быть: 1) сохранение одинаковых степеней повышения давлений в сравниваемых циклах (o' = idem); 2) применение одинаковых максимальных параметров газа на входе в турбину (р, Т); 3) соблюдение наивыгоднейших параметров каждого цикла.

Эти условия можно применять при сравнении как реге­ неративных, так и нерегенеративных циклов, с многоступен­ чатым и одноступенчатым сжатием, многократным и одно­ кратным подводом тепла.

Сравним между собой простейшие нерегенеративные цик­ лы (рис. 3.25) с подводом тепла при р = const и v = const.

При одинаковых степенях повышения давления ст и верхней температуре Т3, как видно из рисунка, отводимое тепло q2vв изохориом цикле будет меньше, а средняя темпе­ ратура отвода тепла Т ниже, чем соответственно q2p и Т41 в изобарном цикле. Средние температуры подвода тепла будут примерно одинаковыми. Следовательно, терми­ ческий к.п.д. цикла с изохорным подводом тепла в этом случае выше, чем с изобарным, т. е. \\to > т|/р.

При одинаковых максимальных параметрах газа, т. е. в случае, когда в обоих циклах параметры газа на входе в турбину совпадают в точке 3 изобарный цикл изображается контуром ]2‘3'4Г Изобарный цикл теперь будет иметь ра­ боту, большую, чем изохорный на площадь треугольника 22,3>, а отводимое тепло q2в изохорном и изобарном циклах

окажется одинаковым. В этих условиях термический к.п.д. цикла с изобарным подводом тепла станет больше, чем цикла с изохорным подводом тепла, т. е. т]<р;> \\tv.

При выборе наивыгодиейших степеней сжатия и соот­ ветствующих им оптимальных начальных температур (T3v ^ Т3р) термический к.п.д. изохорного цикла стано­ вится больше изобарного. Но по причине большей величи­ ны срС)к в изохорных циклах их внутренний к.п.д. т||Ч, не превышает г|1р изобарных циклов ГТУ.

Кроме того, в реальных условиях осуществления изо­ хорных циклов, поскольку компрессор работает непре­ рывно, а впуск воздуха в камеру сгорания происходит пе­ риодически, появляются значительные потери от его дрос­ селирования. Для лучшего использования компрессоров в таких ГТУ устанавливают параллельно несколько камер сгорания, включаемых в работу последовательно. Это соз­ дает пульсирующий поток газа и несколько повышает эф­ фективный к.п.д. установки.

Сравним теперь между собой изохорный и изобарный циклы ГТУ с полной регенерацией (рис. 3.26). Степени сжа­ тия в компрессоре и верхние температуры обоих циклов приняты одинаковыми.Это приводит ктому,что температура отработанных газов на выходе из регенератора (точка б) и отводимое тепло q2в обоих циклах также будут одинако­ выми. Температура воздуха на выходе из регенератора ТгР в изобарном цикле окажется выше, чем в изохорном

(Т3о), поскольку в последнем температура газа на выходе из турбины более низкая.

Соответственно средняя температура подвода тепла в изохорном цикле ниже, чем в изобарном. Отсюда значение термического к.п.д. изохорного цикла оказывается мень­ ше, чем изобарного: r\ip. Вместе с тем поскольку при регенерации qlpC qlv, то фсжи< Фсшр» что несколько сгла­ живает различие в значении внутренних к.п.д. этих циклов.

Таким образом, и нерегенеративные и регенеративные циклы ГТУ с подводом тепла при v = const оказываются, как правило, менее экономичными, предельная мощность таких ГТУ также небольшая. По этим причинам все стацио­ нарные газотурбинные установки строят по циклам с изо­ барным подводом тепла. ГТУ с подводом тепла при v = = const получили применение только в транспортных уста­ новках, как менее чувствительные к изменениям к.п.д. ком­ прессора и турбины.

ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

§ 4.1. Общие принципы действия поршневых д.в.с.

Поршневыми двигателями внутреннего сгорания на­ зывают тепловые двигатели, основным элементом конструк­ ции которых является цилиндр с поршнем. Сгорание топли­ ва происходит внутри цилиндра в среде сжатого воздуха. Образовавшиеся продукты сгорания расширяются и пере­ мещают поршень, от которого выработанная механическая энергия передается на вал двигателя через кривошипно­ шатунный механизм. При обратном движении поршня происходит сжатие чистого воздуха или рабочей смеси, что повышает их температуру и ускоряет горение.

Двигатель с предварительным сжатием смеси воздуха с топливом и последующим его мгновенным сгоранием впер­ вые построил немецкий изобретатель Отто в 1876 г. Двига­ тели Отто, как и все двигатели внутреннего сгорания, строят двух-и четырехтактными. В первом случае все про­ цессы двигателя — сжатие смеси, горение топлива, расши­ рение продуктов сгорания и выхлоп отработанных газов — производятся за два рабочих хода поршня (один оборот вала). Во втором случае все процессы совершаются за че­ тыре хода поршня (два оборота вала).

В четырехтактном двигателе (рис. 4.1) в первый ход поршня (первый такт, процесс 01) смесь топлива и воздуха всасывается в цилиндр двигателя. Во втором такте (процесс 12) смесь сжимается. В конце этого такта, в момент останов­ ки поршня, сжатая смесь зажигается от постороннего ис­ точника (электрической искры) и происходит почти изохорное повышение давления (процесс 23). В третьем такте дого­ рает топливо и затем осуществляется расширение про-

Рис. 4.1 Рис. 4.2

дуктов сгорания (рабочий ход, процесс 34). В конце этого хода поршня открывается выхлопной клапан, и давление газа в цилиндре резко падает. Во время четвертого такта (процесс 10) остатки продуктов сгорания выталкиваются из цилиндра и, таким образом, цилиндр подготавливается к приему свежего заряда.

В двухтактном двигателе в начале первого хода цилиндр через имеющиеся щели продувается от остаточных газов (рис. 4.2). В конце же этого хода поршня рабочая смесь сжимается. В начале второго хода происходит горение и расширение газов, в конце хода — выхлоп через открываю­ щиеся щели.

Термодинамические циклы, по которым работают двух- и четырехтактные двигатели, одинаковы, поскольку на них не сказываются взаимно компенсирующиеся процессы вса­ сывания и выталкивания остаточных газов.

Идеальный термодинамический цикл в р — a-коорди­ натах, по которому работают двигатели Отто, изображен на рис. 4.3. Здесь процесс 12 — адиабатное сжатие идеаль­ ного рабочего тела; процесс 23 — подвод тепла q±рабочему телу при его постоянном объеме от горячего источника; про­ цесс 34 — адиабатное расширение; процесс 41 — изохорное охлаждение рабочего тела — отвод тепла q2 к холодному источнику. Таким образом, реальный процесс выхлопа и охлаждения отработавших газов в окружающей среде за­ меняется в цикле условной изохорой 41.

Недостатком двигателей Отто является невозможность значительного повышения степени сжатия рабочей смеси (в процессе 12) из-за опасности ее самовоспламенения. По этой причине эффективный к.п.д. такого двигателя оказы­ вается относительно низким (25 -г- 30%).

Другой принцип сгорания топлива осуществляется в двигателях, конструкция которых была разработана Р. Ди­ зелем в 1892— 1898 гг. В этих двигателях в цилиндр заса­ сывается и затем сжимается только чистый воздух, что позволяет значительно поднять степень сжатия без всякой опасности самовоспламенения. Более того, здесь самовос­ пламенение используют для зажигания рабочей смеси при впрыске в сжатый горячий воздух распыленного топлива. Регулируя время впрыска, можно достигнуть желательной характеристики процесса горения.

В первых двигателях Дизеля в цилиндр впрыскивалась смесь топлива с небольшим количеством воздуха, сжатым в специальном вспомогательном компрессоре. При этом подача топлива осуществлялась таким образом, чтобы дав­ ление в цилиндре в период горения сохранялось постоян­ ным. Соответствующий этому идеальный цикл, называемый циклом Дизеля, изображен в р — и-координатах на рис. 4.4. Как видно, он отличается от цикла Отто прежде всего изобарным подводом тепла qlt

2

ч

Если в цилиндр двигателя Дизеля впрыскивать только механически распыленное топливо и этот впрыск начать еще до окончания процесса сжатия, то получающаяся при этом на диаграмме верхняя часть цикла оказывается чемто средним между циклами Отто и Дизеля (рис. 4.5). Патент на изобретение такого «бескомпрессорного дизеля» был выдан в 1904 г. русскому инженеру Г. В. Тринклеру. Подвод тепла топлива в них осуществляется частично по изохоре (23) и частично по изобаре (34). Двигатели Тринклера так же, как и двигатели Дизеля, успешно работают на тяжелых сортах жидкого топлива. Эти двигатели явля­ ются самыми экономичными, поскольку они дают возмож­ ность достигать таких же высоких степеней сжатия, как и в двигателях Дизеля, и, кроме того, получить добавочную работу (заштрихованная площадка на рис. 4.5) за счет изохорного подвода тепла. Они широко применяются в каче­ стве судовых двигателей, двигателей небольших энергети­ ческих установок, тракторных двигателей и т. п.

Эффективный к.п.д. бескомпрессорных двигателей ока­ зывается самым высоким из всех двигателей внутреннего сгорания. Поэтому компрессорные дизели в настоящее время не выпускаются. Все же в транспортных установках (глав­ ным образом в легковых автомобилях) широко применяются бензиновые двигатели типа Отто, обладающие простотой конструкции и малым весом.

Термодинамический цикл бескомпрессорного дизеля на­ зывают циклом со смешанным подводом тепла.

§ 4.2. Термодинамический анализ идеальных циклов д.в.с.

Термодинамическая эффективность любого идеального цикла, в котором подводится тепло горячего источника qlt вырабатывается механическая энергия /ц и отдается хо­ лодному источнику тепло q2, определяется значением терми­ ческого к.п.д.:

где Г2СР и Г1ср — соответственно среднетермодинамические температуры отвода и подвода тепла в цикле.

Для всех идеальных циклов подводимое qt и отводимое q2тепло можно выразить через теплоемкости этих процессов и соответствующие разности температур. Величины теплоем­ костей, поскольку рабочим телом в идеальных циклах считается идеальный газ, принимаются постоянными и от температуры независимыми.

Цикл с изохорным подводом тепла (цикл Отто). Рассмот­ рим идеальный цикл Отто, изображенный в р — ^-диаграмме на рис. 4.3 и в Г — s-диаграмме на рис. 4.6. Здесь пл. 23Ьа представляет собой подведенное тепло

?1= с» ( Т 3 — Т 2) ,

а пл. а14Ь — отведенное в цикле тепло

<7г — cv O'ь— Tt).

Площадь цикла, равная его работе,

= Яг“ Rv

Термический к.п.д. цикла Отто

Если обозначить отношение объема всасывания к объе­ му конца сжатия через степень сжатия е = VVУ2, то мож­ но записать:

Из (4.3) видно, что термический к.п.д. цикла Отто зави­ сит только от степени сжатия е и значения показателя адиа­ баты ky определяемого молекулярным составом газа.

Зависимость термического к.п.д. r\t цикла Отто от ве­ личин е и & наглядно видна из рис. 4.7. Степень сжатия в двигателях Отто обычно составляет 4 -f- 7 для бензиновых, 6 —- 7 для газовых и 8 9 для авиационных двигателей.

Работа цикла определяется как разность между адиабат­ ными работами расширения и сжатия в замкнутом объеме

Из этой формулы видно, что работа цикла зависит от степени сжатия е, начальной температуры Тъ молекулярных свойств газа и степени изохорного повышения давления %.