Lekcii_po_TekhnichTermodinamike

115

всопле, процесс е-а – условному процессу выброса в атмосферу и охлаждению

вней (при р=const) продуктов сгорания.

Термический кпд пульсирующего двигателя можно определить по формуле (12.4), полагая, что π = πд.

Пульсирующий двигатель можно применять при меньших скоростях полета, чем прямоточный, но ненадежная работа клапанов в условиях высоких температур ограничивает возможности его применения.

Компрессорные турбореактивные двигатели

Этот класс двигателей в настоящее время широко применяется в авиации. В турбореактивных двигателях (ТРД) сжатие воздуха осуществляется в диффузоре вследствие скоростного напора и н компрессоре (осевом ' или центробежном) , имеющем высокую степень повышения давления. Из компрессора воздух подается в камеру сгорания, а затем продукты сгорания поступают на газовую турбину, где, расширяясь, совершают работу, идущую на привод компрессора. Окончательно расширение газа до атмосферного давления происходит в реактивном сопле.

На рис. 13.2, а представлена схема одноконтурного ТРД и график изменения параметров по тракту двигателя. Идеальный цикл этого двигателя по сравнению с прямоточным двигателем

Рис. 13.2

дополняется процессами, идущими в компрессоре и турбине (рис. 13.2, б). На pυ-диаграмме линией а-1 изображен процесс сжатия в Диффузоре, 1-c – сжатия в компрессоре, z-2 – расширения в Турбине, линией 2-е – расширения в реактивном сопле. Общая степень повышения давления Д К pc pa .

Термический кпд ТРД может быть определен по формуле (12.1), из которой видно, что эффективность этого двигателя будет определяться степенью повышения давления в диффузоре и компрессоре.

Т у р б о р е а к т и в н ы й д в и г а т е л ь с ф о р с а ж н о й к а м е р о й (ТРДФ) отличается от рассмотренного выше ТРД наличием форсажной камеры между турбиной и реактивным соплом. В эту камеру подается дополнительное количество топлива через специальные форсунки, и процесс горения идет в потоке, содержащем кислород, не использованный при горении топлива в основной камере. Подвод теплоты носит ступенчатый характер (рис.

116

Рис. 13.3 13.3, а, б). Повышение температуры в форсажной камере увеличивает

располагаемый теплоперепад в реактивном сопле, а следовательно, скорость истечения и тягу двигателя. ТРДФ обычно предназначаются для сверхзвуковых скоростей полета.

Рис. 13.4

Д в у х к о н т у р н ы е т у р б о р е а к т и в н ы е д в и г а т е л и (ТРДД) становятся доминирующими силовыми установками в дозвуковой и сверхзвуковой авиации. По сравнению с одноконтурными ТРД и турбовинтовыми двигателями ТРДД имеют ряд преимуществ и, в частности, возможность увеличения термического кпд путем реализации более высоких степеней повышения давления и температуры газов перед турбиной.

Принципиальная схема ТРДД с раздельными потоками приведена на рис. 13.4, теоретический цикл — на рис. 13.5. Термодинамический цикл с подводом теплоты при p=const реализуется во внутреннем контуре, часть работы расширения (участок 3-2 адиабаты) идет на сжатие вентилятором воздуха второго (наружного) контура. Второй контур выступает в ТРДД в роли дополнительного движителя.

На рис. 13.5, а работа компрессора численно равна пл. ас85, работа вентилятора — пл. 1476, работа турбины — пл. z378, располагаемая работа внутреннего контура — пл. 2е56, располагаемая работа наружного контура — пл. 3267. На рис. 13.5 б: работа сжатия в компрессоре — пл. ас85; работа сжатия в вентиляторе — пл. 1476; работа расширения в турбине — пл. z378; работа расширения в реактивном сопле внутреннего контура — пл. 2е56; работа расширения в турбине вентилятора — пл. 3267.

117

(13.4)

где m = GB.B/GB.Д – степень двухконтурности (отношение расходов воздуха через вентилятор и основной двигатель). Термический кпд имеет вид

(13.5)

Требованиям высокой экономичности удовлетворяет цикл ТРДД при оптимальном выборе π и πв (πв – степень повышения Давления в вентиляторе), m и температуры газа перед турбиной.

Уменьшение скоростей истечения в реактивных соплах внутреннего и наружного контуров позволяет повысить полетный кпд и вместе с тем снизить удельные расходы топлива.

118

ЛЕКЦИЯ 19

Цикл жидкостно-реактивного двигателя

Жидкостно-реактивным двигателем (ЖРД) называется двигатель, создающий силу тяги вследствие вытекания из сопла продуктов сгорания жидкого топлива. ЖРД получили в настоящее время широкое распространение как силовые установки самолетов, баллистических снарядов, ракет. Они применяются также для бурения скважин в твердых породах.

Жидкостно-реактивный

Рис. 13.6

Жидкостно-реактивный двигатель (рис. 13.6) состоит из камеры сгорания 3 с соплом 4, окруженных охлаждающей рубашкой, системы подачи топлива 1, в которую входят баки, насосы, агрегаты управления. Рабочие компоненты топлива подаются в камеру сгорания через форсунки 2, перемешиваются там и сгорают. Продукты сгорания расширяются в сопловом канале. При этом часть теплоты, которой они обладают, превращается в кинетическую энергию. Скорость истечения газов увеличивается, а давление падает от давления в камере сгорания до давления окружающей среды (при полном расширении).

Равнодействующая от сил давления, приложенных к стенке камеры сгорания и сопла, создает силу, направленную в сторону, противоположную истечению,— силу тяги двигателя.

Сила тяги получается непосредственно без каких-либо промежуточных устройств. Она равна

P G ,

(13.6)

где G – расход топлива, кг/с; ω – скорость в выходном сечении сопла, м/с.

Рассмотрим цикл ЖРД с газогенерацией, когда рабочее тело турбины, связанной с насосом горючего Г и окислителя О (ТНА), получается в жидкостных газогенераторах. В схеме ЖРД (рис. 13.6) роль газогенератора играет охлаждающая рубашка, в которой жидкий водород превращается в газообразный. Генераторный газ после турбины направляется в камеру сгорания.

119

Работа турбины ТНА lT = пл. 3562 (рис. 13.7, а) равна работе насосов lц = пл. 1ас2. Пл. 2с43 — работа, затраченная на преодоление сопротивления в тракте горючего. Количество теплоты, подводимой к основной камере, складывается из теплоты генераторного газа q1' и теплоты дожигания q1", так что

q1 q1 q1.

Процесс горения топлива идет при постоянном давлении и непрерывном увеличении объема продуктов сгорания. Следовательно, процесс горения в основной камере можно представить изобарой c-z (рис. 13.7). После этого продукты сгорания поступают в реактивное сопло и расширяются до конечного давления (процесс z-e). Отработавшие газы выбрасываются из сопла в окружающую среду, унося с собой заключенную в них теплоту.

При изучении идеального цикла считают, что lт=lн. Циклы считают обратимыми, так как процесс горения отождествляется с подводом эквивалентного количества теплоты при p=const, a процесс выброса газов в окружающую среду — с отводом эквива-

Рис. 13.7

лентного количества теплоты от рабочего тела также при р=const. Рабочее тело, участвующее в цикле, рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Диаграмма идеального цикла в координатах р,υ имеет вид, показанный на рис. 13.7, б. Площадь acze представляет собой работу цикла.

Параметром цикла является степень расширения газа

Pe Pz

Термический кпд цикла

1 q2 ,

где q1 = cp(Tz—Тс); q2 = cp(Te—Та). Так как в идеальном цикле Та и Тс малы по сравнению с Tz и Те, то q1 = cpTz, q2 = cpTe и

Если расширение газа в идеальном цикле осуществляется по адиабате, то, произведя замену

121

ЛЕКЦИЯ 20

Циклы паросиловых установок

Паросиловые установки занимают ведущее место в общей энергетике страны. Рассмотрению циклов паросиловых установок и установлению их термодинамических особенностей посвящена настоящая глава.

Цикл ранкина

Так как для обеспечения замкнутого парового цикла Карно необходимо сжимать насыщенный пар, а не воду (причем парокомпрессор будет потреблять значительную часть работы, производимую установкой), то за идеальный цикл паросиловой установки принят не цикл Карно, а другой, называемый циклом Ранкина.

Этот цикл может быть осуществлен в паросиловой установке (рис. 14.1). В паровом котле 1 за счет теплоты сгорающего в топке топлива происходит процесс парообразования; пар необходимых параметров получается в пароперегревателе 2. Из пароперегревателя 2 пар поступает в паровую машину или турбину 3, где происходит преобразование теплоты в работу. Отработанный пар направляется в конденсатор 4 (холодильник), где отдает часть теплоты охлаждающей воде и конденсируется. Полученный конденсат насосом 5 подается обратно в котел.

(14.1)

На рис. 14.2, а, б изображен цикл Ранкина для перегретого пара на pυ- и Tsдиаграммах. В паровом котле при давлении p1

происходит подогрев и испарение воды (при p1=const)—процесс а-b, а в пароперегревателе идет изобарный перегрев пара до температуры T1 – процесс b-е. Таким образом, из котла и пароперегревателя пар выходит с параметрами р1, Т1, h1. Предполагается, что от котла до турбины р1=const.

Далее в машине (турбине) происходит адиабатное расширение пара до давления р2 (процесс e-f). После расширения температура пара равна Т2, а энтальпия отработавшего пара h2. При этих параметрах начнется изобарный процесс конденсации пара (процесс f-d), в результате которого получится вода при температуре Т2 с энтальпией h2'. Конденсат после адиабатного сжатия от давления р2 до давления р1 в питательном насосе поступает в котел.

Если пренебречь работой, которая затрачена на питательный насос lнас = пл.

122

madn (pυ-диаграмма) или lнас = пл. da'а (Ts-диаграмма),

т. е. считать, что изобары жидкостей совпадают с левой пограничной кривой, то работа, получаемая от машины (турбины),

l h1 h2 .

Рис. 14.2

Теплота, эквивалентная этой работе, изображается на Ts-диаграмме пл. a'befd a'.

Термический кпд цикла Ранкина

l h1 h2

t q1 h1 h2

(14.2)

В числителе формулы (14.2) стоит количество теплоты, превращенной в полезную работу цикла, а в знаменателе — все подводимое к рабочему телу количество теплоты.

Из Ts-диаграммы видно, что увеличение начального давления пара при неизменных значениях T1 и Т2 приводит к повышению температуры насыщения. Следовательно, средняя температура подвода теплоты возрастает и должен возрасти термический кпд цикла (рис. 14.3, а).

123

Рис. 14.3

Термический кпд цикла должен возрасти, если при других неизменных параметрах цикла увеличить перегрев пара, а следовательно, увеличить среднюю температуру подвода теплоты (рис. 14.3, б). В настоящее время температура перегрева доходит до 840... 920 К, существенно увеличивая термический кпд цикла.

Перегрев пара одновременно уменьшает конечную влажность. Влага в турбинах приводит к дополнительным потерям при расширении, а кроме того, вызывает эрозию лопаток турбин, поэтому при больших начальных давлениях перегрев пара необходим. В некоторых случаях прибегают к промежуточному перегреву пара (после расширения пара в начальной ступени турбины) (рис. 14.3, в). При неизменных p1 и T1 в цикле уменьшение конечного давления приводит к повышению кпд цикла, так как в этом случае возрастает располагаемый теплоперепад на турбине (h1—h2)

(рис. 14.3, г). Для уменьшения конечного давления р2 на выходе пара из турбины создают разрежение с помощью конденсатора. Средством повышения термического кпд являются также регенерация теплоты в цикле, применение бинарных циклов и т. д.

124

ЛЕКЦИЯ 21

Первый закон термодинамики и его применение к химическим процессам

Химические реакции сопровождаются обычно выделением или поглощением теплоты. Теплота реакции, зависящая от особенностей реакции и условий ее протекания, определяется на основе уравнения первого закона термодинамики. В главе дается анализ первого закона термодинамики применительно к химическим реакциям и следствия из этого закона, предлагается энергетика процессов горения.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики

Как известно из гл. 4, количество теплоты, которое подводится к рабочему телу, идет на изменение внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Это положение первого закона термодинамики для закрытой системы записывается в виде равенства dQ = dU+dL.

При преобразовании теплоты в работу с помощью простых веществ считалось, что они не претерпевали химических превращений. Для того чтобы применить это уравнение к химическим процессам, следует учесть, что протекание химических реакций связано с изменением состояния атомов и электронов в молекулах реагирующих веществ. При этом происходит изменение внутренней энергии, которое может проявиться в виде теплоты или работы. Уменьшение внутренней энергии в результате реакции будет соответствовать определенному количеству выделившейся теплоты и работе, совершенной системой.

При написании первого закона термодинамики применительно к химическим процессам следует учесть, что:

а) в отличие от технической термодинамики все уравнения, как правило, записываются не для 1 кг, а для 1 кмоль вещества;

б) в значение работы входит не только работа расширения или сжатия газа, но и работа в результате действия электрических, световых и других сил, которые могут проявляться в ходе химической реакции; работа в химической термодинамике обозначается буквой А.

При принятых замечаниях уравнение первого закона термодинамики применительно к химическим реакциям имеет вид

где ∆U — убыль внутренней энергии системы; Q — теплота реакции; А — работа реакции.

Таким образом, выделение теплоты в реакции и совершение работы осуществляются за счет изменения внутренней энергии системы. В химической термодинамике принято считать, что:

уменьшение внутренней энергии системы положительно, а увеличение внутренней энергии отрицательно;

теплота, выделившаяся в результате экзотермической реакции, положительна, а поглощенная в результате эндотермической реакции, отрицательна.