Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопро. водящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) нахо. дится в замкнутом пространстве н во время работы не заменяется. Одна из возможных конструктивных схем двигателя Стирлин г 5 га, когда рабочий 5, и вытес. 4 нительный 1 поршни находятся в одном цилиндре, дана на рис 11ТК В процесе перекачки в горя.
чую полость (над рабочим поршнем) рабочее тело в регенераторе 3 и нагревателе 4 получает теплоту, а в процессе пе- 1 рекачки в холодную полость Рис, 11.9 (под рабочим поршнем) отдает теплоту в регенераторе 3 и ох-. ладителе 2. Для осуществления этих процессов движение вытесни- тельного поршня 1 сдвинуто по фазе по отношению к движению рабочего поршня б. Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов (рис. 11.10, а, б).
В процессе а-с холодное рабочее тело сжимается в изо- е],"=(и, — и,)= с, (Т, — Т,)=(из — и,) = с,(Т, — Т,). Термический кпд цикла при идеальном регенераторе (Ч(+Ч~) (Уз+Уз) Ч! Ча ти е Ч! ч~ ч! (11.8) Подставив значения д!" и дд" в (11.8), получим т,(з(,! е) Ч!е= Т1[и (ое/се) (11.9) Так как изохоры идеального газа на Тз-диаграмме зквидистантны (см. $7.5), то 1п(п,/и,) =[п(п,[ое) и ! Я (11.10) т! ' Таким образом, термический кпд цикла Стирлинга с полной регенерацией теплоты равен термическому кпд цикла Карно. Если ввести параметры цикла: е=п,/и,— степень сжатия и т= =Т!(Тз — степень повышения температуры, то термический кпд Цикла может быть преобразован к виду т [1 — (й — )) !и е] ' (11.11) т[! +(а+ !)!пе] — ! Ге Среднее давление цикла р„= " или ча — ве рц= де (т 1) 1п е, е — 1 (11.12) Двигатели Стирлинга завоевали право на широкое применение.
Оин достигли уровня современных дизелей, а по некоторым показателям превзошли их: менее токсичны, меньше уровень шума и и~тут работать с практически любыми источниками теплоты. Так, 155 аидом теплоты дз'. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело7 перемещаясь из холодной полости,' в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту ат рабочего тела,'то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу. "' Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты д!",( и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия (отвод теплоты дз"): 1„=Р(Т!!п(п„/и,) — ДТ,!п(п,(п,)=д! †!)з.
(11.7) Прн полной регенерации д!'=дз', так как !7!=(и, — ие)=с,(Т, — Т,)=(и, — и )=с,(Т,-Т,); был создан и испытан в космическом пространстве для привода регенератора двигатель Стирлинга, в котором в качестве источ, ника теплоты использовалась энергия солнечных лучей. ГЛАВА 12 ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЪ|Х УСТАНОВОК Газотурбинные установки (ГТУ) 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) простотой силовой установки; 2) отсутствием поступательно движущихся частей; 3) получением больших чисел оборотов, что позволяет существенно снизить вес и габариты установки; 4) получением больших мощностей в одном агрегате; б) осуществлением цикла с полным расширением и тем самым с большим термическим кпд; 6) применением дешевых сортов топлива (керосин).
Эти преимущества ГТУ способствовали ее распространению во многих областях техники и особенно в авиации. В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. Термодинамическое изучение этих циклов базируется на- посылках, аналогичных тем, которые были сделаны в гл. 11, а именно: 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: 1) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении р= соп51; 2) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме о=соп51; 3) циклы с регенерацией теплоты. Во всех циклах ГТУ теплота при наличии полного расширения в турбине отводится при постоянном давлении.
й 1ЗЛ. ЦИКЛ ГТУ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ р=сопа1 (ЦИКЛ БРАЙТОНА) Иа перечисленнык циклов наибольшее практическое применение получил цикл с подводом теплоты прк р соим, 156 Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении дана на рис. 12.1. Компрессор 1, приводимый в движение газовой турбиной 4, подает сжатый воздух в камеру сгорания ч в которую через форсунку впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 2, находящимся на валу турбины.
Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу. При сделайных в начале главы допущениях термодннамический цикл ГТУ со сгоранием при р=сопз! изобразится на ро- и Тз-диаграммах Арис. 12.2, а, б) в виде площади асее. работа цикла на ро-диаграмме представля- Ф ет собой разность площадей 1ее2 и 1ас2, соответственно равных работе турбины и компрессора. На этих диаграммах: а-с — процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; с-г — процесс подвода теплоты в камеру Рис.
!2.! сгорания при р=сопз1; е-е — адиабатный процесс расширения газа в турбине; е-а — изобарный процесс отдачи газом теплоты окружающему воздуху. Параметрами цикла являются степень повышения давления воздуха п=р,1р, и степень предварительного расширения р=п,/и,. * а) ю) р и Рис. !2.2 Термический кпд цикла определяют из общего выражения тп =1 — — ', чи е Ф де д!=Л.— й,=ср1Т,— Т,); а,=Ь,— й.=ср(,Т,— Т.).
Параметры газа в узловых точках цикла находят по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах: в точке с Т,=Т и!' !>', 157 в точке г Т,=Т,п(ь — Шар; в точке е Т,=Т,р. Найдем выражение для термического кпд цикла: 1 <а — ци и~ (12.1) Выражение (12.1) показывает, что термический кпд ГТУ пра данном рабочем теле и постоянном значении показателя адиабатн й зависит только от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом и термический кпд цик. Р~ ла увеличивается. х Р, На рис. 12.3 изображен рассматрива. г' Р~ емый цикл при различных степенях повн.
с щения давления и и одинаковом подводимом количестве теплоты. Из графика следует, что при д~ =Ыеш и повышении и уменьшается количество теплоты, отдаваемое газом в окружающую среду, а это к приводит к увеличению термического кпд цикла. Вместе с тем с возрастанием и работа идеального цикла проходит через максимум. При адиабатных процессах 1 7 5 ч 5 расширения в турбине и сжатия в компрессоре работа турбины и компрессора соответственно равна: 1к = ЯТа ~~ ) — 1~ =срТа [п~ и — 1[, Теоретическая работа цикла ГТУ 1н=1х — 1к=с Т [1 — и «ь паз — т(Ы" 'и" — 1)[, (12.2) где т=Т,(Т,. Взяв производную 1ц по т, найдем такое оптимальное значение и, при котором работа цикла будет максимальной, но не будет обеспечсн максимум термического кпд: (12.3) Несмотря на то что увеличение и благоприятно сказывается на экономичности газотурбинной установки, повышение этой величины приводит к росту температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Но температура лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки.
В настоящее времи максимально допустимая температура газов перед турбиной со ставляет 1100... 1200'С и дальнейшее повышение температуры мо" 158 й) Т а) Рис. 12.5 159 кгет быть достигнуто только при применении новых жаропрочных яатериалов н внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми ло„атками. При расчете высокотемпературных ГТУ необходимо учитывать переменные значения теплоемкости ср — — )(Т), энтальпии 1-1(Т), показателя адиабаты 2=1(Т) как в процессе расширения а турбине, так и в процессе сжатия, особенно в многоступенчатых компрессорах. й 12.2.
ЦИКЛ ГТУ С ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ ПРИ о=сопв1 (ЦИКЛ ГЕМФРИ) В газотурбинная установке, работающей по этому циклу, процесс сгорания влет в замкнутом объеме камеры. Схема ГТУ со сгоранием при о=сова( изображена на рис. 12.4. Компрессор !, приводимый во вращение турбиной 6, подает сжатий воздух в камеру сгорания 4 через У 4 управляемый клапан 7. Второй клапан $ находится в копие камеры сгорания к предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Топливо в камеру сгорания подается насосом 2, нахо- б лишимся на валу турбины, через форсуику. Подача топлива должна осук1ествляться периодически топливны клапаном 3.
В камере сгорания при закрытых клапанах 7 и б происходит процесс го- рио. !24 ренин топлива в постоянном объеме. При увеличении давления клапан б открывается и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат и на лопатки турбины б. При прохождении через лопатки турбины газ совершает работу и выбрасывается в окружающую среду. На рис. 12.5, а, б приведен цикл этой установки на рп- и Тзлнаграммах.
На этих диаграммах: а-с — адиабатное сжатие в ком- прессоре; с-г — подвод теплоты при о=сопи(; а-е — адиабатв расширение газа в турбине; е-а — изобарная отдача газом тепл ты окружающему воздуху. Основными параметрами цикла явля. ются степень повышения давления я=р,)р, и степень изохорног повышения давления Л=р,/р,.
)) Для определения термического кпд равного <уз ср (7 р Тр) 1 с„(Т, — Тр) найдем температуру газа в узловых точ. ках цикла: в точке с Т,=Т,я(и-))lи; в точке е Тс=Тся)" )))"Л' в точке е Т,=Т,Лчи Подставляя значения этих температур в формулу термического кпд, получим ч)и= 1 ы — н)и (12.4) Рис.
12.6 6) Т р г' ' Ь" Рис. 12.7 Из сравнения между собой циклов с подводом теплоты пр" р=сопз1 н и=сопз1 на ро- и Тз-диаграммах (рис. 12.7, а, б) вид но, что при одной и той же степени повышения давления и одина 160 Формула (12.4) показывает, что термический кпд цикла зависит от степени повышения давления я, определяемой повышением давления воздуха в компрессоре, и от степени изохорного повыше. ния давления Л, характеризующей подведенное количество теплоты в цикле (рис. 12.6).
Изменение )))=)(и) аналогично изменению этой величины в цикле с подводом теплоты при р=сопз1. к оном отводимом количестве теплоты цикл при о=сопи! выгоднее цикла при р=сопз1. Это объясняется большей степенью расширения в цикле о= =сопз1, а следовательно, и большими значениями термического кпд, Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при а=сонэ! широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа, хотя работы по совершенствованию этого цикла продолжаются.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
