Внутренняя энергия. 4 страница

В горизонтальной части газохода расположен пароперегреватель 7, обеспечивающий нагрев пара до заданной температуры.

Рис. 6.1. Схема котельного агрегата

Испарительные поверхности 3 сообщаются с барабаном котла 8 и вместе с опускными трубами 9, соединяющими барабан с нижними коллекторами 10 экранов, составляют циркуляционные контуры. Паровая смесь в барабане разделяется на насыщенный пар и воду, пар направляется в пароперегреватель, вода - снова в циркуляционные контуры. Циркуляция воды и пароводяной смеси в контурах происходит за счёт разности плотностей столба воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъёмных трубах - экранах (естественная циркуляция).

Топливо вместе с горячим воздухом через горелки 11 подается в топочную камеру, где сжигается. Продукты сгорания из топочной камеры направляются в пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогреватель и через газоочистку удаляются в атмосферу.

Существуют различные конструктивные оформления котельных агрегатов, имеющих и другие схемы. Так, сжигание топлива может осуществляться не в факеле, а в слое. Циркуляция воды и пароводяной смеси в испарительной системе котла может быть принудительной с помощью насосов. Водяной экономайзер и воздухоподогреватель могут располагаться в несколько ступеней и т.д.

6.3.Процесс парообразования в pv-координатах

За начальную температуру воды при любом давлении, принимают температуру t=0°С. Таким образом, линия I на рис. 6.2 соответствует состояниям так называемой холодной жидкости при разных давлениях, имеющей температуру 0°С (изотерма холодной жидкости). Удельный объем воды при t=0°С принимается равным 0,001 м3/кг. Вследствие незначительной сжимаемости воды, линия I оказывается почти вертикальной прямой. Левее этой прямой находится область равновесного сосуществования воды и льда.

Рис. 6.2.График процесса парообразования в pv-координатах

За начало отсчета u, i и s для воды принято считать тройную точку TT (p₀=611 Па, t₀=0,01 ⁰C, v₀=0,00100 м³/кг).

Пренебрегая влиянием давления на изменение объема воды, считают для всех состояний на линии I v₀=0,00100 м³/кг, u₀=0, i₀=0 и s₀=0.

Конечное состояние воды в стадии подогрева (точка b) определяется достижением при заданном давлении температуры кипения, которая зависит от давления. Из рv—диаграммы следует, что с увеличением давления температура кипения увеличивается. Эта зависимость устанавливается опытным путем.

Состояния кипящей воды для различных давлений будут соответствовать линии II, которая называется нижней пограничной кривой. Она изображает зависимость удельных объемов кипящей воды от давления. На нижней пограничной кривой степень сухости х = 0.

Параметры кипящей воды приводятся в таблицах в зависимости их от давления или температуры. Количество теплоты, необходимое для доведения воды до кипения равно:

Дальнейший подвод теплоты к кипящей воде, который осуществляется в испарительном контуре парогенератора, сопровождается бурным парообразованием внутри жидкости и переходом части воды в пар. Таким образом, участку b—с будет соответствовать равновесное состояние смеси жидкости и пара (влажный насыщенный пар). В каждой точке этого процесса вода будет характеризоваться массовой долей содержащегося в ней сухого насыщенного пара (степенью сухости х).

Конечное состояние в этой стадии характеризуется полным превращением жидкости в пар, который будет иметь температуру, равную температуре насыщения (t_c=t_н) при заданном давлении. Такой пар, как уже упоминалось, носит название сухого насыщенного пара.

Процесс парообразования b—с является одновременно изобарным (p=p₁=const) и изотермическим (T=T₁=const). При этом затрачиваемая теплота расходуется не на повышение температуры, а только на преодоление сил притяжения между молекулами и на работу расширения пара.

Учитывая, что между температурой насыщения t_н и давлением р существует однозначная связь, состояние сухого насыщенного пара будет определяться только одним параметром — давлением или температурой.

Состояния сухого насыщенного пара при разных давлениях будут соответствовать линии III, которая называется верхней пограничной кривой. Совершенно очевидно, что на верхней пограничной кривой в каждой точке степень сухости х=1.

Следует обратить внимание на то, что в процессе парообразования удельный объем воды резко увеличивается. Так, для воды при р = 0,1 МПа удельный объем кипящей воды v=0,001043 м³/кг, тогда как удельный объем сухого насыщенного пара равен 1,696 м³/кг. С увеличением давления эта разница уменьшается и в критической точке К удельные объёмы воды и пара равны 0,00326 м³/кг. При этом t_кр=374,15 ⁰С, а p_кр=221,29 бар. При давлениях и температурах больших критических процесс парообразования отсутствует. Наблюдается переход воды в пар при пересечении изобары T_кр.

6.4.Таблицы водяного пара

Для идеальных газов зависимость между параметрами р, v и T устанавливается уравнением состояния p·v=R·T.

Причем два из этих параметров однозначно определяют третий. Перегретый и насыщенный пары по своим свойствам существенно отличаются от идеальных газов. Поэтому соотношения между параметрами р, v и Т перегретых и насыщенных паров значительно сложнее, чем уравнение состояния идеального газа.

Для насыщенных паров давление является функцией температуры (р=f(Т)). Таким образом, для насыщенных паров две переменные р и Т не определяют состояния. Причем удельный объем v_x определяется степенью сухости пара х. Удельный объем v_x является функцией параметров р и х или T и х. Объемы v_b и v_c являются функциями температуры или давления (рис. 6.2). Следовательно, чтобы определить состояние насыщенного пара, необходимо установить зависимости вида p=f(T), v_b=j(р), v_c=f(р).

В настоящее время известны многочисленные уравнения состояния перегретого водяного пара. Эти уравнения связывают между собой основные параметры р, v и Т.

Одним из наиболее точных уравнений состояния водяного пара является уравнение Вукаловича—Новикова. Однако такие уравнения, в том числе и уравнения М.П.Вукаловича и И.И.Новикова, имеют весьма сложный вид и расчеты по ним являются чрезвычайно трудоемкими. Поэтому при практических расчетах параметров паров используются специальные таблицы и диаграммы, составленные на основании экспериментальных и теоретических данных. В них приводятся соответствующие друг другу значения р, T, v_b, v_c, i_b, i_c, r, s_b и s_c.

В настоящее время составлены подробные таблицы для перегретых и насыщенных водяных паров до температур 1000 °С и давления 98 МПа. Таблицы составлены с высокой степенью точности. Известны три вида таблиц:

1) термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по температуре);

2) термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению);

3) термодинамические свойства воды и перегретого пара.

В первой таблице указывают температуры сухого насыщенного пара и кипящей воды (по Цельсию и Кельвину) и соответствующие им давление, энтальпии, энтропии, теплоту парообразования и удельные объёмы.

Во второй таблице указывают давление сухого насыщенного пара и кипящей воды и соответствующие им температуру, энтальпии, энтропии, теплоту парообразования и удельные объёмы.

В третьей таблице для различных сочетаний температур и давлений приводятся соответствующие им энтальпия, энтропия и удельный объём воды или перегретого пара.

6.5. Is-диаграмма водяного пара

Для практических расчетов процессов водяного пара широкое применение получила is-диаграмма, на которой теплота и энтальпия измеряются линейными отрезками.

В системе координат i—s (рис. 6.3) сначала строятся нижняя (а-К) и верхняя (К—с) пограничные кривые по табличным данным i и s. Нижняя пограничная кривая проходит через начало координат, так как при t=0 ⁰С энтропия и энтальпия приняты равными нулю.

Рис. 6.3. is-диаграмма водяного пара

Затем наносят изобары, которые в области насыщенного пара, будучи одновременно и изотермами, являются прямыми линиями, так как при p=const dq=di, а . Поэтому di=T·ds и при T=const i=T·s+const. Следовательно, на is-диаграмме угловой коэффициент изобары равен T. Поэтому чем выше давление насыщения, тем выше температура T и тем больше тангенс угла наклона изобары.

В области перегретого пара изобары и изотермы расходятся, причем изобары поднимаются кверху в виде логарифмических кривых, а изотермы стремятся к горизонтали. Это объясняется тем, что с понижением давления перегретый пар по свойствам приближается к идеальному газу, энтальпия которого зависит только то температуры, то есть линии t=const одновременно являются линиями i=const. Чем больше температура, тем выше расположена изотерма.

В области влажного пара нанесены линии одинаковой степени сухости х=const. На эту же диаграмму часто наносят еще изохоры, которые проходят круче изобар.

Is-диаграмма обладает рядом важных свойств: по ней можно быстро определить параметры пара и разность энтальпий в виде отрезков, наглядно изобразить адиабатный процесс, имеющий большое значение при изучении работы паровых двигателей, и решать другие задачи. Обычно для практического использования в большом масштабе строят так называемую рабочую часть диаграммы (на рис. 6.3 она ограничена штрих-пунктиром).

6.6.Процессы водяного пара на is-диаграмме

Как уже отмечалось, пар как реальный газ не подчиняется простым закономерностям идеальных газов, поэтому расчеты процессов с водяным паром проводятся с помощью таблиц или графически с помощью диаграмм.

Наиболее удобно оценивать характер изменения параметров разных процессов по is-диаграмме. Основные термодинамические процессы водяного пара (v=const, p=const, t=const) представлены на is-диаграмме соответствующими кривыми. Адиабатный процесс (s=const) изображается прямой, параллельной оси ординат. Следует обратить особое внимание на разные закономерности изменения параметров состояния пара в термодинамических процессах в зависимости от состояния пара (насыщенный или перегретый). Так, в изотермическом процессе в области насыщенного пара энтальпия изменяется значительно, а в области перегретого пара, особенно вдали от линии х=1, процесс t=const приближается к i=const. Это свидетельствует о том, что свойства перегретого пара в этих областях приближаются к свойствам идеального газа.

Тема 7. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу происходят внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (г. т. у.) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате — паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу — в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом.

Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения — жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теорети­ческими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, а затем реальный (необратимый) с учетом основных источников необратимости.

7.1.Классификация и принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигателями внутреннего сгорания (д. в. с.) называются тепловые двигатели поршневого типа, в которых сгорание топлива (подвод теплоты) и превращение теплоты продуктов сгорания в работу происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра.

Д. в. с. устанавливают на автомобилях всех типов, тракторах, танках, мотоциклах, морских и речных судах, небольших самолётах, передвижных электростанциях и небольших стационарных электростанциях.

Д. в. с. классифицируют по следующим признакам:

1) по числу ходов (тактов), за которое совершается один рабочий цикл (четырёх тактные и двухтактные);

2) по месту и способу смесеобразования (с внешним смесеобразованием, карбюраторные, и с внутренним - дизельные);

3) по способу воспламенения топлива (с принудительным воспламенением, искровые-карбюраторные, и с самовоспламенением, дизельные);

4) по виду горючего. С жидким горючим: лёгким, – бензиновые карбюраторные, - тяжелым, - дизельные; с газообразным горючим: газовые;

5) по числу и расположению цилиндров подразделяются на одно-, двух- и многоцилиндровые; однорядные, двухрядные, V- и W-образные, оппозитные.

На рис. 7.1 изображены схема устройства так называемого четырехтактного д. в. с. и диаграмма его рабочего процесса в рv-координатах. Четырехтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на четыре хода поршня, т. е. на два оборота вала. Цилиндр двигателя 1 снабжен двумя клапанами — впускным 2 и выхлопным 4. Открытие и закрытие клапанов осуществ­ляется специальным газораспределительным механизмом (на схеме не показан). Поршень 5 совершает возвратно-поступательные движения, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, — шатуна 6 и кривошипа 7, — преобразуются во вращательное движение вала 8.

Рис. 7.1. Схема устройства и диаграмма рабочего процесса д.в.с.

Крайние положения поршня, при которых направление движения поршня изменяется на обратное, называются мертвыми точками: у крышки цилиндра — верхней мертвой точкой (в. м. т.), противоположная — нижней мертвой точкой (н. м. т.).

Движения поршня, равномерно следующие друг за другом, от одной мертвой точки к другой, называются тактами, а путь между ними называется ходом поршня. Объем, описываемый поршнем за один ход, называется рабочим объемом цилиндра.

Рабочий процесс д. в. с. начинается с движения поршня 5 от в. м. т. вниз при открытом впускном клапане 2 (такт всасывания I). При этом в цилиндр поступает смесь бензина или керосина с воздухом, которая образуется в специальном устройстве, называемом карбюратором (или смесителем в случае газообразного топлива); при использовании так называемого тяжелого топлива (например, нефти, солярового масла) в такте всасывания поступает чистый воздух.

В н. м. т. впускной клапан 2 закрывается и поршень, перемещаясь в обратном направлении, совершает такт сжатия II. Вблизи от в. м. т. в карбюраторных д. в. с. воспламенение топлива происходит электрической искрой (принудительное воспламенение), и топливо сгорает в момент прихода поршня в в. м. т. Вследствие этого температура и давление продуктов сгорания резко возрастают при практически постоянном объеме.

В так называемых д. в. с. высокого сжатия в среду сильно сжатого и нагретого до 500—600 °С воздуха впрыскивается через форсунку жидкое топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. Распыление жидкого топлива в форсунке может осуществляться воздухом, сжатым в специальном компрессоре (компрессорные дизеля), или механическое распыление при помощи топливного насоса (бескомпрессорные дизеля). После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт III). Вблизи от н. м. т. открывается выпускной клапан. Давление падает и при движении поршня от н. м. т. до в. м. т. отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа IV) при давлении, несколько большем атмосферного. Такая диаграмма рабочего процесса обычно записывается специальным прибором — индикатором, а полученная таким образом диаграмма называется индикаторной диаграммой. На индикаторной диаграмме откладывается объем цилиндра, описываемый поршнем в данный момент.

Из-за высоких температур в цилиндре двигателя (порядка 1600—2000 °С) приходится интенсивно охлаждать цилиндр, чаще всего водой, поэтому между стенками цилиндра и продуктами сгорания все время происходит теплообмен.

Легко видеть, что действительные процессы, протекающие в д. в. с., являются необратимыми (протекают с конечными скоростями, трением и теплообменом при конечной разности температур), поэтому индикаторную диаграмму нельзя отождествлять с термодинамическим циклом.

Практически наиболее удобно подводить теплоту по изохоре либо по изобаре или по смешанному способу — изохоре и изобаре. В соответствии с этим для д. в. с. разработаны три теоретических цикла, имеющих практическое значение:

1) цикл с подводом теплоты при v=const;

2) цикл с подводом теплоты при р=const;

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

7.2.Цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном объёме (цикл Отто)

Является прототипом рабочего процесса в двигателях с принудительным зажиганием. Отличительной особенностью таких двигателей является сжатие горючей смеси (смеси паров бензина с воздухом). Этот цикл состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 7.2). Адиабата 1—2 отвечает сжатию горючей смеси, изохора 2—3 — сгоранию смеси (подвод теплоты q₁), вследствие чего давление повышается до р₃. После этого продукты сгорания адиабатно расширяются (процесс 3—4). В изохорном процессе 4—1 от газа отводится теплота q₂.

Рис. 7.2. Цикл д. в. с. с изохорным подводом теплоты

Это цикл двухтактного д. в. с. Между точками 4-1 практически при постоянном объёме осуществляется сначала выпуск отработавших газов а затем и продувка цилиндра смесью топлива с воздухом (карбюраторные д. в. с.) или воздухом (дизельные д. в. с.).

Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия и

степень повышения давления . Здесь v₁, v₂, p₂, p₃ – объёмы и давления рабочего тела в соответствующих точках цикла д. в. с.

Расчёт цикла сводится к определению параметров p, v и T в характерных точках и определению количеств подведенного и отведенного тепла, полезной работы и теплового к. п. д. цикла.

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

,

(7.1)

где k – показатель адиабаты рабочего тела. То есть η_t растёт с увеличением степени сжатия. Однако повышение степени сжатия не должно вызывать детонацию и самовоспламенение горючей смеси в процессе сжатия. В зависимости от вида топлива ε=6÷10.

7.3.Цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры (рис. 7.3) и является образцом для двигателей тяжелого топлива, которые называются компрессорными дизелями и в которых горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр специальным компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются только на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

В этих двигателях сначала сжимается по адиабате 1—2 чистый воздух, в результате чего его температура повышается до требуемой температуры самовоспламенения топлива. Затем в изобарном процессе 2—3 происходит впрыск и горение топлива (подвод теплоты q₁). Далее происходит адиабатное расширение 3—4 и изохорный выхлоп 4—1 (отвод теплоты q₂).

Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия и

степень предварительного расширения .

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

.

(7.2)

Рис. 7.3. Цикл д. в. с. с изобарным подводом теплоты

Из (7.2) видно, что η_t возрастает с увеличением степени сжатия и с уменьшением степени предварительного расширения.

Степень сжатия в дизелях определяется достижимой прочностью и составляет 14÷16.

Если сравнивать цикл Отто с циклом Дизеля, то обнаружится, что термический к. п. д. цикла Отто выше, чем цикла Дизеля при одинаковых степенях сжатия и количествах подводимого тепла. Но если эти циклы сравнивать при одинаковых максимальных давлениях и температурах, то термический к. п. д. цикла Дизеля окажется выше термического к. п. д. цикла Отто.

Обычно и ε и p у дизелей выше, чем у карбюраторных д. в. с. Поэтому удельный расход топлива (г/кВт) у дизелей меньше, чем у карбюраторных д. в. с.

7.4.Цикл д. в. с. со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера)

Характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива с механическим распылением топлива. Здесь горючее впрыскивается в цилиндр через распыливающее устройство (форсунку) с помощью плунжерного насоса под давлением в несколько сотен бар. Впервые бескомпрессорный нефтяной двигатель был создан в 1904 г. конструктором Сормовского завода Г. В. Тринклером (впоследствии профессор Горьковского политехнического института). Сжигание топлива в таком двигателе сначала происходит по линии v=const (процесс 2—3) с повышением давления (рис. 7.4), а затем при постоянном давлении (процесс 3—4). Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия ,

степень повышения давления и

степень предварительного расширения .

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

.

(7.3)

Рис. 7.4. Цикл д. в. с. со смешанным подводом теплоты

Из выражения (7.3) следует, что термический к. п. д. цикла возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения. Поэтому современные дизели стремятся конструировать так, чтобы в теоретическом цикле изобарный участок тепла имел минимальные размеры, то есть так, чтобы ρ≈1.

При ρ=1 цикл Тринклера превращается в цикл Отто, а при λ=1 – в цикл Дизеля.

Цикл Тринклера является наиболее эффективным, поэтому современные дизели работают по циклу Тринклера.

Термический к. п. д. различных двигателей внутреннего сгорания составляет в среднем 0,45÷0,6.

7.5.Принцип действия и схемы газотурбинных установок

Существенным недостатком д. в. с. является возвратно-поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. В газотурбинной установке (рис. 7.5), как и в ДВС, рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением рабочего колеса турбины под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы.

Рис. 7.5. Схема газотурбинной установки

Как видно из схемы, воздух окружающей среды засасывается нагнетателем 2 через подогреватель воздуха 8. В нагнетателе воздух сжимается адиабатно до требуемого давления и подаётся в камеру сгорания 5.

В неё же топливным насосом 6 из топливного бака 7 подаётся топливо. В камере сгорания в результате воспламенения топлива образуются продукты сгорания, температура которых регулируется количеством подаваемого воздуха. Воздух подаётся с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемую температуру горения топлива. Продукты сгорания поступают в сопла газовой турбины 1, где их потенциальная энергия в процессе адиабатного расширения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины и их кинетическая энергия расходуется на вращение вала установки и передаётся электрическому генератору 3 и нагнетателю 2. Отходящие из турбины газы направляются в подогреватель воздуха 8, где отдают своё тепло воздуху, засасываемому нагнетателем 2.

Для пуска установки используют пусковой электродвигатель 4.

С целью обеспечения работы компрессора и турбины на внешнюю нагрузку в наивыгоднейших режимах с высоким к. п. д. применяют двухвальные схемы турбоустановок. В одних схемах компрессор приводится в движение турбиной высокого давления, находящейся с ним на одном валу, а в других – турбиной низкого давления. Тогда главная турбина, работающая на другом валу на внешнюю нагрузку, в первом случае будет состоять из ступеней низкого давления, а во втором – из ступеней высокого давления. Выбор частоты вращения ротора главной турбины определяется нагрузкой, частота же вращения компрессорного агрегата может изменяться в широких пределах, обеспечивая изменение расхода воздуха в соответствии с потребностью.

7.6. Циклы ГТУ с изобарным и изохорным подводом теплоты

В качестве простейших циклов газотурбинных установок (ГТУ) приняты: цикл с изобарным подводом теплоты и цикл с изохорным подводом теплоты. Эти циклы отличаются от соответствующих циклов д. в. с. процессом отвода теплоты — изохорный процесс отвода заменен изобарным. Современные ГТУ в основном работают с изобарным подводом теплоты.