Газотурбинные установки

Одним из первых создателей промышленного образца ГТУ был русский инженер П.Д.Кузьминский. В период с 1894 по 1900 г.г. им была спроектирована и построена ГТУ со сгора­нием топлива при постоянном давлении.

В 1900-1904 гг. была изготовлена ГТУ немецким инженером Штольцем, но в процессе испытаний установка не развивала мощности, необходимой даже для вращения компрессора. В 1906 г. французскими инженерами Арманго и Лемалем был построен ГТУ мощностью 300 кВт, но ее КПД был очень низок.

В 1908 г, русский инженер В.В.Караводин постро­ил ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. КПД этой установки не превышал 2,4%.

Теоретические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

В теоретическом цикле в отличии от действительных отсутствуют потери теплоты, за исключением неизбежной отдачи теплоты холодному источнику в соответствии со вторым законом термодинамики. Теоретические циклы совершаются при соблюдений следующих условий:

- цикл является замкнутым (обратимым) и протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела, в качестве которого используется идеальный газ;

- процесс сгорания топлива в цилиндре заменен мгновенным подводом теплоты от постороннего горячего источника, а процесс выпуска отработавших газов мгновенным отводом теплоты в холодный источник;

- процесс сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. принимаются адиабатными;

- теплоемкость рабочего тела на протяжении всего цикла считается постоянной, не зависящей от температуры.

- Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

- Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (Δ U = 0):

A = Q.

- Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A ₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A ₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A ₁ + A ₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Рисунок 3.11.1.Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

- Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q ₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q ₂ < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q ₁ + Q ₂ = Q ₁ – | Q ₂|.

- При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (Δ U = 0). Согласно первому закону термодинамики,

Δ U = Q – A = 0.

- Отсюда следует:

A = Q = Q ₁ – | Q ₂|.

- Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q ₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Рис.3.11.2 Энергетическая схема тепловой машины: 1 –нагреватель, 2 – холодильник, 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс.

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Рис. 3.11.3 Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Рис.3.11.4 Цикл Карно

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T ₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A ₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q ₁ = A ₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A ₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T ₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T ₂ < T ₁. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A ₃₄ < 0 и отдает тепло Q ₂ < 0, равное произведенной работе A ₃₄. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T ₁, газ совершает работу A ₄₁ < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A ₁₂ + A ₂₃ + A ₃₄ + A ₄₁.

На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли Δ U его внутренней энергии. Для 1 моля газа

A = –Δ U = – C_V (T ₂ – T ₁),

где T ₁ и T ₂ – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

A ₂₃ = – A ₄₁.

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T ₁ и холодильника T ₂:

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВС С ПЕРИОДИЧЕСКИМ СГОРАНИЕМ ТОПЛИВА

Дата добавления: 2015-04-25