teplotekhnika (852911), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Двига98тель становится громоздким, тяжелым, время перехода с режима на режимувеличивается. Эти двигатели имеют преимущество в тех случаях, когданельзя или трудно организовать подвод топлива и окислителя для горения,но можно использовать солнечную энергию или энергию распада, например, в космосе или под водой. Они удобны и в гелиоэнергетике.5.4.
Циклы газотурбинных установокЦикл ГТУ с подводом теплоты при постоянных давлении и объеме. Схемапростейшей ГТУ при сгорании топлива при постоянном давлении и егоидеальный цикл были приведены в подразд. 3.4.Первая судовая ГТУ была построена в 1897 г. инженером-механикомрусского флота П.Д. Кузьминским и предназначался для катера. Однакоширокое распространение ГТУ получили сравнительно недавно. Этообъясняется тем, что для осуществления экономичного и надежногодвигателя необходимо было получить особо жаростойкие стали, а такжесоздать турбину и компрессор с высокими КПД.Термический КПД ГТУ с изобарным подводом теплотыц,= 1 - І<12І/«1І = 1 -(Т4- тд/(тз- тд.Для адиабатных процессов сжатия и расширениял = р2/р1 = (щ/У2У* = г* И рЗ/щ = (щ/УЗУЧОбозначим р2/рІ = п - отношение, которое называют степенью повышения давления в компрессоре.В рассматриваемом цикле (см.
рис. 3.7) рІ = р4 и р2 = рз. Следовательно, є = уІ/у2 = у4/у3 или \›4/\›І = »3/92.В то же время для изобарных процессов \›4/\›І = Т4/ТІ и уЗ/У2 = ТЗ/Т2.Из установленных соотношений следует: Т4/ ТІ = ТЗ/ Т2.Подставляя полученные выражения в формулу для 11,, имеемІ_,_ тыл/11 -1› = І-Т1/ Т.2_Т2(Т3/Т2-1)Так как ТІ/Т2 = єІ/(К'І), то11,= І- І/є-:/<“І(5.16)или п, = 1 - І/л(/<")//<, поскольку 1: = єк.Таким образом, формула для термического КПД цикла ҐГУ с изобарным подводом теплоты совпадает с формулой КПД цикла Отто при одинаковой степени сжатия.Работы по повышению КПД ГТУ проводились в направлении создания двигателей-турбин взрывного горения. Так, в 1906 г.
была запатенто99Т*}3Фг=042'Чгр_1Ѕ7ор =0_Ѕ7Рис. 5.15. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянномобъемевана, а в 1908 г. построена турбина В. В. Кавродина, осушествлявшаяцикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Идеальный цикл такой ГҐУ представлен на рис. 5.15.Термический КПД циклаП: =1*(1,2, =І_с,,<т4-л›_ЧІУСид-7.2)Выразим температуры в характерных точках 1-4 цикла через начальную температуру ТІ и соотношение между параметрами в частных проЦессах:ШЩіТ2 =Т11г І* ;Т3=Т1М І* ;Т4=Т1›.*,где Ж = рЗ/р2 - степень повышения давления при изохорном подводе теплоты.Подставляя значения этих температур в формулу термического КПД,получим:1мхї-н)'“'='_ы*1:(Ж-І)(5.17›Цикл ҐГУ с периодическим сгоранием топлива при \› = сопЅІ болееэкономичен, но для его осуществления необходима установка в камересгорания впускных и выпускных клапанов, что усложняет конструкциюи снижает надежность работы установки.Кроме того, значительные гидравлические сопротивления клапановсущественно снижают термодинамические преимущества цикла, поэтому ГТУ с изохорным подводом теплоты не получили широкого практического применения.Цикл ГГУсс регенерацией.
Максимальная температура цикла газотурбинной установки, а следовательно, степень сжатия є, ограничена тойІОО3ІТопливоРис. 5.16. Принципиальнаясхема ГҐУ с регенерацией сизобарным подводом теплоты\/1їЁ`Ограбоггавшие газыЩ \температурой, при которой могут достаточно длительное время работатьлопатки газовых турбин.
Тем самым ограничиваются и достижимые значения термического КПД газотурбинной установки.В целях повышения термического КПД ГТУ применяют регенеративные устройства 4 (рис. 5.16). Регенерация заключается в том, что отработавшие газы турбины І используются для подогрева воздуха, поступаюшего из компрессора 3 в камеру сгорания 2.Изобары рІ и р2 отвода и подвода теплоты в цикле газотурбинной установки на диаграмме ТЅ являются эквидистантными кривыми. Если ууказанных изобар имеются отрезки, расположенные между изотермами,пересекаюшими обе изобары, то на этих участках изобар возможно организовать регенерацию теплоты.На рис. 5.17 показан в координатах ру и 73 цикл газотурбинной установки с полной регенерацией теплоты. Удельная теплота, подводимая научастке 2-4' изобары р2, равна удельной теплоте, отводимой на участкеРис.
5.17. Цикл ҐГУ с регенерациейІОІ2'-4 изобары рІ. Эти количества теплоты (обозначенные ЧР) не толькоравны друг другу, но, что особо важно, процессы отвода и подвода теплоты происходят в одинаковых температурных условиях (в пределах температур от Т2 до Т4). Поэтому возможно путем введения в цикл специального теплообменника передать теплоту, отводимую на участке 2-4 от от-работавших газов турбины, воздуху, нагнетаемому в камеру сгорания.Такое мероприятие существенно повышает термический КПД ГГУ,так как из внешней среды заимствуется меньшее количество теплотыс/І = (1, и во внешнюю среду отводится также меньшее количествоар,теплоты 4/2 = 42 41 и 42 - соответственно подводимая и отвоар (здесьдимая теплота в цикле без регенерации).Термический КПД рассматриваемого циклапІ_І_|(,_5|_І_|с,,<т2-л›| .ЧІ,Ср(75_7:1)Поскольку Т2/ ТІ = ТЗ/Тд, следовательно,1_,_[л<т2/т.-1›1 =І-Т_Т4(Т3/7Ь_1)Т1/4ИЛИл.=1-1/р,(5.18)так как Т1/Т4 = Т2/Т3 = 112/1/3 = І/р.Из (5.18) следует, что термический КПД цикла газотурбинной установки с изобарным подводом и полной регенерацией зависит только оттемпературы Т4 в конце адиабатного расширения газа в турбине (температура Т, являясь температурой внешней среды, изменяется весьма не-значительно).В действительных условиях для осуществления теплообмена междугазом и воздухом необходима некоторая разность температур.
Поэтомутемпература нагретого воздуха на выходе из регенератора Т5 < Т, а температура газов Т6 > Т2. Полнота совершающейся регенерации оценивается значением отношенияо = (Т5 - Т2)/( Т4 - Т2),(5. І9)называемого степенью регенерации. В действительных условиях о = 0,5 ++ 0,7. При о < 1 термический КПД цикла будет меньше, чем в случаеполной регенерации.Сравнительный анализ циклов ДВС и ГТУ при постоянной степени сжатия и в заданном интервале температур. Для оценки совершенства термодинамических циклов ДВС сравним их по эффективности превращения102ї!Рис. 5.18.
Сравнение циклов ДВС и ГТУ в одинаковом интервале температур и давленийтеплоты в работу. Сравнение циклов проведем для двух случаев: при одинаковой степени сжатия и в одинаковом интервале температур.Сравнение циклов ДВС при одинаковом значении степени сжатия є,как вытекает из анализа формулы термического КПД цикла с изохорноизобарным подводом теплоты, показывает: 11 ,у > 11 щр > 11 ф. Это означает, чтосамым выгодным циклом ДВС является цикл с изохорным подводом теплоты ттт, у которого ртіп = І. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты, укоторого степень повышения давления Ж = І, а степень предварительногорасширения максимальна (р > І), имеет минимальный термический КПДЦикл ДВС с изобарным подводом теплоты является идеальным цикпт.лом компрессорных дизелеи, строившихся в начале прошлого века и перестроенных впоследствии в бескомпрессорные дизели за счет изменениясистемы распыла топлива.
Идеальным циклом в бескомпрессорных дизелях является цикл с изохорно-изобарным подводом теплоты, а его КПДптр'Реальные бескомпрессорные дизели имеют более высокий эффективный КПД, чем реальные карбюраторные двигатели, имеющие своимидеальным циклом цикл с изохорным подводом теплоты. Большая экономичность дизелей, работающих по менее совершенному идеальномуциклу, объясняется возможностью работы при более высоких степеняхсжатия, чем у карбюраторных двигателей, работающих по более совер-шенному идеальному циклу.Сравнение циклов ДВС и ГТД в одинаковом интервале температурзаключается в замене рассматриваемых циклов эквивалентными циклами Карно путем введения средних термодинамических температур под-вода ї] и отвода 7_`2 теплоты.На рис. 5.18 представлено сравнение указанных циклов в координатах ру и ТЅ: І-2У-3-4У - цикл ДВС с изохорным подводом теплоты;103І-2-3'-3-4У - цикл ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты;І-2р-3-4У - цикл с изобарным подводом теплоты; І-2р-3-4р - циклГГУ с изобарным подводом и отводом теплоты.Как видно из рисунка, средняя термодинамическая температура подвода теплоты в цикле с изохорно-изобарным подводом ТМ, больше, чемв цикле с изохорным подводом_теплоты ТН, но меньше, чем в цикле сизобарным подводом теплоты Т'р.
Средняя термодинамическая температура отвода теплоты -Т у, одинаковая для всех циклов ДВС, больш_е,чем Т2р в цикле ГТУ. Принимая во внимание формулу ц, = І - Т2/ Т,> ц", т.е. термодинамический КПД цикла ГТУнайдем цж > цІПу>цщрвыше, чем КПД любых ДВС, а термический КПД цикла ДВС с изобарным подводом (имеющим лишь историческое значение) выше КПД циклов дизельных и карбюраторных двигателей. В реальных газотурбинных установках материал камеры сгорания и лопаток турбин, соприкасающийся с потоком газа длительное время, не позволяет осуществить достижение тех же значений Ттах, что и в ДВС, где лишь в течение одноготакта (расширения) стенки находятся в контакте с продуктами сгорания,которые имеют высокую температуру.
Поэтому эффективный КПД реальных ГТУ ниже эффективных КПД ДВС.5.5. Циклы пароэнергетических установокИдеальный цикл Ренкина. Подавляющее большинство теплоэнергетических установок стационарной энергетики составляют паросиловые установки, рабочим телом которых служит водяной пар. Используются такиеустановки в транспортной энергетике и в подъемно-транспортной технике.Как указывалось, наиболее совершенным циклом с наивысшим КПДв заданном температурном интервале является цикл Карно. Однако циклКарно нельзя считать наилучшим для водяного пара с точки зрения полезной работы, производимой в нем. Эта работа весьма мала (на І кг пара) из-за больших затрат энергии на привод парокомпрессора, в связи с чем затеоретический цикл паросиловой установки принимается цикл Ренкина,в котором вместо парокомпрессора используется питательный насос(рис.
5.19, а). В паровом котле ПК за счет теплоты (1] сгоревшего в топкетоплива происходит парообразование. Пар, образовавшийся в котле, поступает в пароперегреватель, откуда направляется в паровую машину (турбину) Т. В ней тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Отработавший пар из машины поступает в конденсатор Конд, где, конденсируясь, отдает часть теплоты 42 охлаждающей воде. Полученный конденсатпитательным насосом ПН направляется обратно в котел.В крановых паросиловых установках конденсатор обычно отсутствует, и отработавший пар выпускается в атмосферу, которая выполняет104ЧтЧ:Рис.
5.19. Пароэнергетическая установка:а - схема; б - идеальный цикл (цикл Ренкина) в рабочей диаграммефункции конденсатора. Питательную воду, подаваемую при этом в котелиз специального бака, можно рассматривать как результат конденсациипара в атмосферу.Теоретический цикл паросиловой установки в диаграмме ру изобра-жен на рис. 5.19, б.В котле при постоянном давлении рІ происходят подогрев воды дотемпературы кипения (линия 4-а'), процесс парообразования (линияа'-а”) и процесс перегрева пара (линия а”-І).
Перегретый пар с параметрами р| и ІІ поступает в паровую машину или турбину, где он расширяется адиабатно до давления р2 и энтальпии і2 (линия 1-2). По выходе измашины пар может остаться перегретым (12) или стать влажным (1:2). Нарис. 5.19, б процесс расширения пара заканчивается в области влажногопара.При давлении р2 в конденсаторе начинается изобарно-изотермический процесс конденсации водяного пара (линия 2-3), в результате которого образуется вода с энтальпией 13 (1'2). Полученный конденсат питательным насосом подается в котел (линия 3-4). В результате адиабатного (изохорного) сжатия давление его после насоса будет рІ, а энтальпияі4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
