Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Окончательно расширение газа до атк, мосферного давления происходит Рис. ы 5 Рас. !4.4 в реактивном сопле. На рнс. 14.4 представлена схема и изменение параметров по тракту двигателя. Идеальный цикл этого двигателя по сравнению с прямоточным двигателем дополняется процессами, идущими в компрессоре и турбине (рис. 14.5). На р — и-диаграмме процесс а-1 — сжатие в диффузоре; процесс 1-с — сжатие в компрессоре; процесс г-2 — расширение в турбине; 2-в — расширение в реактивном сопле.
Общая степень повышения давления к = = пк„ф и„ = ~'. Термический к. и. д. турбореактивного двига- РО теля может быть определен по формуле (13.1), из которой видно, что эффективность этого двигателя будет определяться степенью повышения давления в диффузоре и компрессоре. й 3. Цикл жидкостно-реактивного двигателя Жидкостно-реактивным двигателем (ЖРЛ) называется двигатель, создающий силу тяги вследствие вытекания из сопла про. дуктов сгорания жидкого топлива.
ЖРД получили в настоящее 172 время широкое распространение как силовые установки самолетов, баллистических снарядов, ракет. Они применяются также для бурения скважин, в твердых породах. Жидкостно-реактивный двигатель, схема которого приведена на рис. 14.б, состоит из камеры сгорания 1 с соплом 2, системы подачи топлива 3, в которую входят баки, насосы, агрегаты управления. Рабочие компоненты топлива — горючее и окислитель — подаются в камеру сгорания через форсунки 4, перемешиваю~ся там и сгорают. Продукты сгорания расширяются в сопловом канале.
При этом частыеплоты, которой они обладают, превращает я в кинетическую энергию вытекающей среды. Скорость истечения га- С 1 2 Г и Рис. ЬЬ7 Рис. 14.6 зов увеличивается, а давление падает от давления в камер сгорания до давления окружающей среды (при полном расширении)„ Равнодействующая от сил давления, приложенных к стенке камеры сгорания н сопла, создает силу, направленную в сторону, противоположную истечени|о, — силу тяги двигателя. Сила тяги получается непосредственно без каких-либо промежуточных устройств. Она равна Р =(лв, (!4А) где 0 — расход топлива, кг/сел; ю — скорость в выходнзм сечении сопла.
Процессы, происходящие в ЖРД, сводятся к следующему. Топливо, состоящее из горючего и окислителя, насосом (или под давлением сжатого газа) подается в камеру сгорания. При этом давление топлива в насосе возрастает от р, до р, В р — о-диаграмме (рис. !4.7) этот процесс изобразится прямой, параллельной оси р. Объем, занимаемый топливом, откладывается по оси абсцисс вправо от начала координат, Процесс горения топлива идет при постоянном давлении н непрерывном увеличении объема продуктов сгорания.
Следовательно, процесс горения можно представить себе изобарой с-г. После этого продукты сгорания поступают в реактивное сопло и расширяются до конечного давления (процесс г-в). Отработавшие газы вы- брасываются нз сопла в окружающую среду, унося с собой заключенную в них теплоту. При изучении идеального цикла пренебрегают объемом жидкого топлива по сравнению с объемом газов. Циклы считают обратимыми, так как процесс горения отождествляется с подводом эквивалентного количества теплоты при р = сопи!, а процесс выброса газов в окружающую среду — с отводом эквивалентного количества теплоты от рабочего тела также при р = сопи!.
74 Рабочее тело, участвующее в цикле, рассматривается как идеальный газ с постоянной тел лоем костью. р ОИ Ппг алга Рис. !4.9 Рис. 14,8 Диаграмма идеального цикла в координатах р — о имеет вид, показанный на рнс. !4.8, Пл. асге представляет собой работу цикла. Параметром цикла является с т е п е н ь р а с ш и р е н и и газа б=р,/р,.
Термический к. п, д. цикла гн=! —— Чс 41 где г7,=с„(Т,— Т,! н Ци=си(Т,— Т,!. Так как в идеальном цикле Т, и Т, малы по сравнению с Т, и Т„то а,=ар Т, и г7и=срТ, т, %=1 — — '=1 —— т, т,7ти Если расширение газа в идеальном цикле осуществляется по адиабате, то, произведя замену 174 найдем (14. 5) г'и = Таким образом, термический к. п. д. цикла определяется при полном расширении только степенью расширения и при увеличении последней увеличиваегся (рис. 14.9).
Из графика видно, что по мере увеличения степени расширения рост 11, замедляется и применение высоких давлений в камере сгорания нецелесообразно, так как необходимо будет делать ее с более толстыми стенками, а следовательно, и утяжелять двигатель. Ббльшие значения и дают ббльший термический к. п. д. Повышения Ь можно достигнуть, увеличив в продуктах сгорания наличие одноатомных или легких газов. ГЛАВА ХЧ ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК $1.
Цикл Ренкина Так как для обеспечения замкнутого парового никла Карно необходимо сжимать насыщенный пар, а не воду (причем парокомпрессор будет потреблять значительную часть работы, производимую установкой), то за идеальный цикл паросиловой установки принят не цикл Карно, а другой специальный, называемый циклом Ренкина, Этот цикл может быть осуществлен в паросиловой установке, представленной на рис. 15.1. г' В паровом котле 1 за счет Ю теплоты сгорающего в топке топлива происходит процесс парообразования; пар необходимых параметров получается в пароперегревателе 2.
4 Из пароперегревателя 2 пар поступает в паровую машину нли турбину 3, где происходит преобразование теплоты в работу. Отработанный пар направляется в конденсатор 4 Рис, 13 1 (холодильник), где отдает часть теплоты охлаждающей воде и конденсируется. Полученный конденсат насосом 5 подается обратно в котел. На рис. 15.2 и рис, 15.3 изображен цикл Ренкина для перегретого пара на р — и и Т вЂ” з-диаграммах. В паровом котле при давлении р, происходит подогрев и испарение воды (при р, = сопз1), процесс а-Ь, а в пароперегревателе идет изобарный перегрев пара до темпеРатУРы Гм пРоцесс Ьмь 176 Таким образом, из котла и пароперегревателя пар выходит с параметрами р„(,, Г,.
Далее в машине (турбине) происходит адиабатное расширение пара до давления р, (процесс е-7). После расширения температура пара равна Г„а энтальпия отработавшего пара (м При этих параметрах начнется изобарный процесс конденсации пара (процесс ~-Н), в результате которого получится вода при температуре Г, с энтальпией 1~ . Конденсат после адиабатного сжатия от давления р, до давления р, в питательном насосе поступает в котел. Если пренебречь работой, которая затрачена на питательный насос 1„„, = пл.
ггки(л (р — о-диаграмма) или 1и„= пл. г1а'а (Т вЂ” з- Рис. !З.З Рис. 15.3 диаграмма), т. е. считать, что изобары жидкостей совпадают с нижней пограничной кривой, то работа, получаемая от машины (турбины), равна Е,=к~ — 1м (15.1) Теплота, эквивалентная этой работе, изображается на Т вЂ” з-диаграмме пл. а'Ье~йа'. Термический к.
и. д. цикла Ренкина равен 1~ ти ю~ ~ — ы' В числителе формулы (15.2) стоит количество теплоты, превращенной в полезную работу цикла, а в знаменателе — вся подводимая к рабочему телу теплота. Ид Т вЂ” з-диаграммы видно, что увеличение начального давления пара, при неизменном значении Т, и Т„приводит к повышению температуры насыщения. Слеловательно, средняя температура подвода теплоты возрастет и должен возрасти термический к.
п. д. цикла (рис, 15.4). Термический к. и. д. цикла должен возрасти, если при других неизменных параметрах цикла увеличить перегрев пара, а следовательно, увеличить среднюю температуру подвода теплоты (рис. 15.5). В настоящее время температура перегрева раина 600 — 650' С. !76 Перегрев пара одновременно приводит к уменьшению конечной влажности. Появление влаги в турбинах вызывает дополнительные потери при расширении, а кроме этого эрозию лопаток турбин, поэтому при больших начальных давлениях перегрев пара необходим. В некоторых случаях прибегают к промежуточному перегреву Тс Т Т Л Я Рис. Ш.4 Рис.
1З.З пара (после расширения пара в начальной ступени туобины) (рис,!5.6), При неизменных р, и Т, в цикле уменьшение конечного давления приводит к повышению к, п, д. цикла,так как в этом случае возрастает располагаемый теплоперепад на турбине (1, — 1,) Т Т Рис. 15.6 Рис. 1бт (рис. 15.7). Для уменьшения конечного давления р» на выходе пара из турбины создают вакуум с помощью конденсатора. Средствами повышения термического к.
п. д. являются также регенерация теплоты в цикле, применение бинарных циклов и т, и. ф 2. Цикл парогазовой установки Парогазовый цикл представляет собой бинарный цикл, в котором используются два рабочих тела — продукты сгорания и водяной пар, В газовом цикле температура газов на входе в турбину 900 †10» С, а нз выходе 350» С н более. В паросплопых установ- ках температура перегретого пара достигает 600 — 650'С, но зато температура воды в конденсаторе будет всего лишь 25 — 30' С.
Таким образом, в бинарном цикле можно осуществить перепад температур значительно больший, чем в каждом из отдельных циклов. Изменение температурного перепада приведет к увеличению термического к. п. д. цикла. Идеальный цикл парогазовой установки показан на рис, 15.8, где 1-2 — изотермический подвод теплоты к газу от горячего ис- точника; 2-3 — адиабатное расширение Т газа; З-б — изобарный отвод теплоты > 2 от газа; 6-1 — сжатие газа; 3-4 — аднабатное расширение пара; 4-5 — изотер, сс~ мический отвод теплоты в холодный иссс' Ъ точник от водяного пара; 5-6 — адиа- 7,с 9' батное сжатие воды; 6-3 — изобарный подвод теплоты к пару.
г Практическая реализация изотермис" ческого подвода теплоты в газовом цикле 1-2-3-б-1 может быть осуществлена в результате многоступенчатого подвода теплоты, а изатермический отвод тепРпс. >8.8 лоты в паровом цикле 3-4-5-6-3 может быть осуществлен в процессе конденсации водяного пара (процесс 4-5). Передача теплоты от продуктов сгорания к водяному пару осуществляется в теплообменнике. Газовый цикл в такой схеме является открытым (продукты сгорания удаляются в атмосферу), а паровой — закрытым. РаГючим телом в закрытом цикле может быть не только вода, но н углекислота или другие вещества, утилизирующие теплоту газового цикла. Газовый цикл осуществляется и в виде цикла газотурбинной установки с подводом теплоты при р = — сопз1.
На рис. 15.8 этот цикл изображается пл. 7-2-3-б-7. Газовый и паровой циклы могут быть объединены в газопаровом цикле (рабочим телом такого цикла является парогазовая смесь, состоящая из продуктов сгорания и водяного пара), В парогазовых установках впрыск воды перед турбиной приводит к снижению температуры газов и одновременно к увеличению энтальпии рабочего тела, так как удельная энтальпия воды больше, чем у продуктов сгорания. Такой цикл был предложен академиком С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
