Теплотехника Учеб. для вузов А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др (943465), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Избыточное давление у» — р» при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется нэобариым отводом теплоты 4-1. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя е. Применительно к идеальному циклу (см. рис. 6.2) е = н»/сз. (6. 3) Степень сжатия является основным параметром, определяющим термический 58 КПД цикла. Рассмотрим два цикла с одинаковымн точками 1 и 4, один из которых (1'-2'-3'-4) имеет большую степень сжатия е, чем другой (1-2-3-4). Большему значению е соответствует более высокая температура в конце сжатия 1-2.
Следовательно, изохора 2'-3' рас. положена в Т, и-диаграмме выше, чем изохора 2-3. Из рнс. 6.2, б видно, что количество теплоты »)о подведенной а цикле 1-2'-3'-4 (плошадь 2'-3'-б-б), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 (плошадь 2-3-5- б). Количество отведенной теплоты дх в обоих циклах одинаково (плошадь 4-5- б-!). Следовательно, термический КПД нл=-1 — ах/д, больше в цикле 1-2' 3'-4. Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания увеличивается с ростом степени сжатия е.
Нетрудно получить аналитическую зависимость П, от е, например, для цикла со сгоранием при с=сопз1. При постоянной теплоемкости ), с,(Т,— Т ) »)» се(Т,— Т ) (Т,/Т,— П Т, (Т,/Т вЂ” 1) Т, Г!ри одинаковых показателях адиабаты й процессов сжатии и расширения в соответствии с (4.18) Т,/Т„= Тх/Т, =ее Тз/Тх = Т,/Т, =." - ' Тогда для рассматриваемого цикла П, = 1 — 1/ех '. (6.4) На рис. 6.3 приведены кривые зависимости термического КПД никла со сго- »)г д 4 0 12 хд а Рнс. 6З Изме»»ение»Н ДН». » ппднсдом тен. лоты при е=сопз1 н зннисимосзи от степени сжатия при ре»личных значения» поиззатсля адннбазы Л раннем при п=сопсИ от степени сжатия при различных показателях адиабаты.
Увеличение КПД ДВС с ростом степени сжатия е обьясняется связанным с этим повышением максимальной темпе. ратуры цикла, т. е. уменьшением потерь эксергии ат неравновесного горения. Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9--10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, еяв!8, что позвалиет существенно павы- сить КПД цикла.
Однако при одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты при р=сапэ1, реализуемый в дизелях, имеет меньший КПД, чем цикл с подводом теплоты при п=сопш, поскольку прн одинаковом количестве отданной холодному источнику теплоты количество подведенной при п=сопэ1 (по линии 2-3 на рис. 6.2, б) теплоты больше, чем при р= сапа( (лииия 2-7). При сгорании при р=сопэ1 максимальная температура горения, как это видно из рис. 6.2, б, оказывается меньше, чем при п=сопщ, а значит, потери эксергии от неравновесного горения выше Используя в качестве рабочего тела неразбавленные продукты сгорания (с максимальной эксергией], ДВС имеют самыи высокий из всех тепловых машин КПД.
Однако инерционные силы, связанные с возвратно-поступательным движением поршня, возрастают с увеличением как размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС большой мощности. Большим их недостатком являются и высокие требования к качеству потребляемого топлива (жидкаго нли газа). ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (прежде всего автомобили, тепловозы и небольшие самолеты) и примениются в качестве неболыпих стационарных двигателей. 6.3. цикл ГАВОтуРБиннОЙ УСТАНОВКИ В циклах ДВС рабочее тело выбра.
сывается из цилиндра с температурой Т, и давлением р,, которые превышают Рис 6.4. Схема газатурбиннай установки соответствующие параметры окружающей среды р,, Тм практически совпадающие с р,, Ть Поэтому циклам ДВС присуши потери эксергии из-за «недарасширения» газов до параметров окружающей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных установок. Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 6.4. Воздушный компрессор К ежи. мает атмосферный воздух, повышая его давление от рс до р, и непрерывно падает его в камеру сгорания КС Туда же с пециальным иагнетателем О непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива.
Образующиеся в камере продукты сгорания выходят нз нее с температурой Т» и практически с тем же давлением (если не учитывать сопротивления), чта и на выходе из компрессора (р» =рс). Следовательно, горение топлива (т. е. подвод теплоты) происходит при постоянном давлении. В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Тс, а давление уменьшается до атмосферного рь Весь перепад давлений рс — р~ используется для получения технической работы в турбине 1„„. Большая часть этой работы 1.
расходуется на привод компрессора; разность 1„, — 1„является полезной и используется, например, на производство электроэнергии в электрическом генераторе ЭГ или на другие цели (при иссссэльзавании жидкого топлива расход энергии на привод тояливного насоса невелик, и в нерпам приближении его можно не учитывать). 7, Тд Тг а) Рнг Ь 5 1(нлз ~в ~гпуяпннно1! установки и в р, и-квврдннвввх, а в Г, в.квивдннвтвв нию давления воздуха после компрессора р к давлению перед ним рь т. е.
л=- =рв/рь Выразим отношение тх мператур в формуле (6.5) через степень повышения давлении из уравнения адиабаты: Т, /Тв = (Р ~ /Рэ)! "= ! /л' =(р,/рт)м ' '" (Т,/Тэ) (рэ/р,)' ' "; поскольку рв=р! и рз=рв, то Тв/Т~= = Тв/Тв. Из (6 5) получим п,=-) — 1/ '" '"' При й=1,33 формула (6.6) дает следующие значения 41, для различных величин и; (6.6) 2:! 4 5 5 15 24 20 ЗЗ Зо 1)дажьвэсеннг 7 К и !О ЗК,Гв 40,5 42 45,5 и/% (6.5) Коэффициент полезного действии идеального цикла непрерывно возрастает с увеличением л. Зто связано с увеличением температуры в конце и рс цссса сжатия Тв и соответственно темпсратуры га. зов перед турбиной Тв. На рнг 6.5, б отчетливо видно, что цикл 1-2'-;1'-4, в кото.
ром и болыпс, экономичнее цикла 1-2-3- 50 Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 6,5), а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания — изобарным отводом теплоты (линия 4-!), получим цикл газотурбинной установки 1-2-3-4 Полезная работа 1в изображается площадьнх заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рис. 6.5, а видно, что полезная работа равна разности между технической работой, полученной в турбине (площадь б-3-4-5), и технической работой, затраченной на привод компрессора (площадь 6-2-1-3). 11.тощвдь цикла !-2 3-4 в Т, в-диаграмме эквивалента этой же полезной работе (рис. 6.5, б). Теплота, превращенная в работу, получается как разность между количествами подведенной д~ (площадь 8-2-3-7) и отведенной г)в (площадь 1-4-7- 8) теплоты. Коэффициент полезного действия идеального цикла ГТУ аэ с (Тв — Т) в),=1 — — = !— а, с„(Тз — Тт) Т, (Т,/Т, — П =! — -— Тв (Тз/Т, — 1) Прн этом тсплоемкость ск принята для простоты постоянной.
Одной из основных характерно~ни цикла газотурбинной установки является ств пень повышения давлеи н я в компрессоре и, равная отноше- Тв/Т~ =А/Т ) (Т /Тт) (77/Т )= 4, ибо по линии 2О3' подводится болыпе теплоты <)<, чем по линии 2-3, при том же количестве отведенной в процессе 4- ! теплоты <)ь При этом Тх и Т', больше, чем соответственно Т, и Ть Дело в том, что с увеличением Т, возрастает эксергия рабочего тела перед турбиной е< = ср(Т< — Тр) — Тр(зз †) (см. формулу (5.31) ), т. е. уменьшаются потери эксергии при сгорании, поскольку эксергия исходного топлива постоянна (равна теплоте его сгорания).
Это и увеличивает КПД цикла. Максимальная температура газов перел турбиной ограничивается жаропрачностью металла, из которого делают ее элементы. Применение охлаждаемых лопаток из специальных материалов позволило повысить ее до 1400 — 1500 'С в авиации (особенна на самолетах-перехватчиках, где ресурс двигателя мал) и да 1050 в 1090 'С в стационарных турбинах, предназначенных для длительной работы Непрерывно разрабатываются более надежные схемы охлаждения, обеспечивающие дальнейшее повышение температуры. Поскольку аиа все же иижс предельип достижимой при горении, приходится сознательно идти на снижение температуры горения топлива (за счет подачи излишнего количества вазлуха).
Это увеличивает эксергетические потери от сгорания в ГТУ иногда до 40 ьрР Газы выбрасывают из турбины с температурой Т<) Т< юТо. Следовательно, эксергия рабочего тела ез, которой мы располагаем перед турбиной, использу. ется также не полностью: потери эксергии с уходящими газами могут доходить до 1О ага Поэтому КПД ГТУ оказывается пака еще ниже, чем ДВС Не имея де~алей с возвратно-поступательным движением, газовые ~урбины могут развивать значительно большие мощности, чем ДВС. Предельные мошно сти ГТУ гегалня составляют 1ОО— 200 МВт. Они ооределянзтся высотой лопаток, прочность которых должна выдержать напряжении от центробежных усилий, возрастающих с увеличением их высоты и частоты вращения вала. Поэтому газовые турбины применяются прежде всего в качестве мощных двигателей в авиации и на морском флоте, а также в маневренных стационарных энергетических установках.
Ряд технологических процессов, особенно химической промышленности, связан с потоками нагретых сжатых газов. Расширение этих газов в газовой турбине позволяет получить энергию, котораи обычно используется в этом же процессе, например лля нагнетания тех же ~азов В этом случае вал турбины непосредственно соединяется с валам турбокампрессора Такое комбинирование пааво. лает существенно снизить потребление энергии в технологическом процессе. К сожалению, оно используется е<це недостаточно широко, во-первых, из-за косности мышления технологов, а во-вторых, из-за отсутствия турбин на нужные параметры Часто используют авиационные двигатели, выработавшие свой ресурс.
В энергетике газовые турбины иногда используют для привода воздуходувок, нагнетающих воздух в топку котла, работающую под давлением. Дли э<ого продукты сгорании, охлажденные в котле ло иеабхалимай температуры, иапранляются в турбину, сидящую на одном валу с воздуходувкой, и расширяются в ней до атмосферного давления, совершая работу. в.4. 1(иклы ОАРОтуньи нных УО ГЛНОНОК Современная стационарпаи ~еплоэнергетика базируется в основном на паровых теплосиловых установках Продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь промем<уточным теплоносителем (в отличие от ДВС и ГТУ), а рабочим телом служит чаше всего водяной пар. Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
