Рабочая программа дисциплины "Теплотехника" (Общие методические указания к изучению дисциплины. Контрольные тесты для проверки знаний студентов), страница 7

1.6. Циклы теплосиловых установок

В теплосиловых установках энергия топлива сначала превращается в тепловую, путем его сжигания, а полученная теплота используется для выработки механической энергии. Теплосиловые установки по типу рабочего тела условно можно разделить на газовые (двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинные установки (ГТУ)) и паровые (паротурбинные установки (ПТУ)). Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри самого двигателя, называются двигателями внутреннего сгорания.

Циклы поршневых ДВС. Под теоретическим циклом ДВС понимают замкнутый процесс изменения состояния рабочего тела, в результате которого происходит превращение тепловой энергии в механическую.

При этом принимается, что рабочее тело в них - идеальный газ и что совершаемый в двигателях процесс является замкнутым и обратимым.

Эти идеальные циклы отличаются от действительных тем, что рабочее тело в действительных циклах не возвращается после совершения работы в начальное состояние, а удаляются и заменяется новым.

Не принимается во внимание также изменение химического состава рабочего тела при сгорании.

Не учитываются потери на трения, теплопроводность, излучение.

Циклы ДВС различают по способу подвода в них тепла:

1) цикл с подводом тепла при постоянном объеме - v=const;

2) цикл с подводом тепла при постоянном давлении - р=const ;

3) цикл со смешанным подводом теплоты, как при v=const так и при р=const.

Цикл с подводом тепла при постоянном объеме - v=const (цикл Отто). По данному циклу работают ДВС с внешним смесеобразованием. Цикл состоит из двух изохор и двух адиабат (рис. 24). Имея начальное состояние р₁ и v₁ (точка 1), газ подвергается адиабатному сжатию (процесс 1-2), в точке 2 параметры v₂ и р₂. Далее при v=const (процесс2-3) к газу подводится теплота q₁ (горение), и р₂ возрастает до р₃ (точка 3). Затем газ (продукты сгорания) адиабатно расширяется до v₄=v₁ (точка 4). Наконец, от газа в изохорном процессе отводится тепло q₂, давление падает от р₄ до р₁ и рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Полезная работа определяется как:

Термический КПД как известно определяется так:

    Рисунок 24. цикл с подводом тепла при постоянном объеме - v=const в р,v и T,s - диаграммах.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия и является основным параметром, определяющим величину термического КПД:

Определив количество теплоты при с_v=const для изохорных процессов, а также выразив отношение температур в адиабатных процессах через отношение объемов и степень сжатия, и подставив эти значения в уравнение (1.71), получим выражение для термического КПД цикла Отто:

Выводы:

1) η_t возрастает при увеличении ε, но высокие ε (обычно не больше 10) для данного цикла недопустимы, т.к. топливо может воспламениться раньше прихода поршня в ВМТ, что может привести в аварии;

2) η_t зависит от физических свойств рабочего тела, на что указывает присутствие

Цикл с подводом тепла при р=const (цикл Дизеля). По этому циклу работают дизельные компрессорные ДВС. Имея начальное состояние (рис. 25) р₁ и v₁ (точка 1) газ (воздух) адиабатно сжимается (процесс 1-2), до параметров р₂ и v₂ (точка 2). Далее при р=const (процесс 2-3) к газу подводится тепло q₁ (горение) и v увеличивается от v₂ до v₃ (предварительное расширение). Затем адиабатное расширение (процесс 3-4) до v₁ и р₄. И при v=const (процесс 4-1) от газа отнимается тепло q₂ и рабочее тело приходит в первоначальное состояние (точка 1).

Рисунок 25. цикл с подводом тепла при постоянном давлении - р=const в р,v и T,s - диаграммах.

Здесь - степень сжатия; а - степень предварительного расширения. Так как:

найдем q₁ и q₂ для изобарного и изохорного процессов и пользуясь зависимостью между v и Т для адиабатного сжатия и расширения, произведя математические преобразования получим окончательное выражение термического КПД рассматриваемого цикла:

Из анализа выражения следует, что с уменьшением ρ и увеличением ε, η_t возрастает. Если сравнить между собой циклы с подводом тепла при v=const и р=const, при ε₁= ε₂, то первый экономичнее, т.к. при всех возможных значениях ρ и k выражение:

>1

Однако в ДВС, работающих по циклу Дизеля, допускаются большие ε (до 12-18), чем в ДВС работающих по циклу Отто. В первых сжимается воздух, по-этому отпадает возможность преждевременного воспламенения топлива. Поэтому правильнее сравнивать оба цикла при различных ε , а если ε больше то больше и η_т.

Цикл со смешанным подводом тепла, как при v=const так и при р=const (цикл Тринклера). Этот цикл является комбинацией двух предыдущих. В нем тепло сначала подводится при v=const, а затем при р=const. Рабочее тело (рис. 26), в точке 1 с параметрами р₁ и v₁, подвергается адиабатному сжатию до р₂ и v₂ (процесс 1-2). Далее при v=const (процесс 2-3) подводится тепло q'₁, а при р=const (процесс 3-4) - тепло q"₁. Затем газ адиабатно расширяется до первоначального v₁ (линия 4-5). Наконец, в изохорном процессе 5-1 отводится тепло q₂ и рабочее тело приводится в первоначальное состояние (точка 1).

    Рисунок 26. Цикл с подводом тепла при постоянном давлении - р=const в р,v и T,s - диаграммах.

Поскольку:

Найдя q'₁, q"₁ и q₂ для изохорных и изобарных процессов и введя обозначения:

- степень сжатия; - степень предварительного расширения и новую величину

- степень повышения давления, а также выразив Т₂, Т₃, Т₄ и Т₅ через Т₁, подставим их в выражение для η_т и получим выражение для термического КПД данного цикла:

Отсюда видно, что при ρ=1 получаем выражение η_т при v=const, а при λ=1, выражение η_t при р=const.

Цикл со смешанным подводом тепла при практическом выполнении имеет несколько более повышенный η_t, чем другие циклы, и находит большое применение в современных ДВС с воспламенением от сжатия.

Циклы паротурбинных установок. Современная стационарная теплоэнергетика базируется в основном на паровых теплосиловых установках. Рабочим телом в них является водяной пар.

Работа ее осуществляется следующим образом (рис. 27). При сгорании топлива в топке парогенератора 1 образуется газообразные продукты сгорания, теплота их передается воде и пару через металлические стенки труб. Вода подогревается до кипения и переходит в насыщенный пар, которыйперегревается в пароперегревателе 2 и поступает в паровую турбину 3, где его тепло переходит в работу вращения ротора турбины, а затем в электрическом генераторе механическая работа переходит в электроэнергию. После турбины отработавший пар с низким давлением поступает в конденсатор 4, через который проходит охлажденная вода, и конденсируется. Конденсат откачивается насосом 5, и снова подается в парогенератор, - цикл повторяется.

Теоретическим циклом паротурбинных установок является цикл Ренкина.

Рассмотрим цикл Ренкина для перегретого пара, т.к. на практике используют установки, работающие на перегретом паре. Они имеют более высокий КПД и более надежные условия работы. Изобразим его р,v - координатах (рис. 28). Вследствие малой сжимаемости воды процесс в насосе 5 изображен линией (изохорой) 2'-3, причем точка 3 находится левее левой пограничной кривой, а заштрихованная площадь соответствует работе насоса (сжатия). Изобарный процесс 3-4-5-1 осуществляется в парогенераторе 1 и пароперегревателе 2 (3-4 вода до кипения, 4-5 парообразование, 5-1 - перегрев в пароперегревателе 2).

Рисунок 27. Схема паротурбинной установки.

Процесс 1-2 есть адиабатное расширение пара в турбине, а совершаемая работа, есть располагаемая работа, и равна разности энтальпий _р=h₁-h₂ изображается площадью 1-2-а-b, а полезная работа пара в цикле изображается площадью 1-2-2'-3. Изобарно-изотермический процесс 2-2' протекает в конденсаторе 4, состояние конденсата определяется точкой 2' и находится на левой пограничной кривой.

    Рисунок 28. Цикл ПТУ в р,v и T,s - диаграммах.

Изобразим цикл Ренкина в Т, s - координатах точка d совмещена с точкой 2', т.к. при сжатии воды в насосе ее температура и энтропия практически не меняется, а изобара подогрева воды (2'-3) совпадает с левой пограничной кривой. Площадь 0-а-3-4-1-с - это энтальпия перегретого пара h₁ состояния 1; площадь 0-а-2'-2-с - энтальпия отработавшего пара состояния 2 при входе в конденсатор h₂; площадь 0-а-2'-b - энтальпию конденсата состояния 2' после конденсатора h'₂. Теплота q₁ сообщенная 1 кг пара в парогенераторе по изобаре d-3-4-1, изображается площадью в d-3-4-1-с и определяется по уравнению:

Теплота q₂, отданная охлаждающей воде по изобаре 2-2', изображается площадью в 2'-2-с и определяется по уравнению:

При низких и средних давлениях пара _нас. обычно незначительна и ей пренебрегают, поэтому:

или

Следовательно, работа 1 кг пара изображается площадью d-1-2-2'₁ и равна:

Иногда кроме электроэнергии требуется и тепловая. Чтобы использовать теплоту отработавшего пара, необходимо повысить его температуру, поэтому необходимо повысить р₂. В этом случае полезная работа цикла снижается, но теплота отработавшего пара используется для покрытия тепловых нагрузок. Расход топлива в отопительных котельных сократится. Такое комбинированное производство электрической и тепловой энергии на электростанциях называется теплофикацией, а сами они называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).