Термодинамика и теплопередача (Люкшин) 2002

Добавил:

fench Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Российский биотехнологический университет (РОСБИОТЕХ)

Предмет:

Технология пищевых производств

Файл:

еk л−1+kл(с−1)−

(k −1)(е−1)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

22.08.2013

Размер:

877.54 Кб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 146 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Приведем, без подробного доказательства, следующие формулы, в которых использованы те же конструктивные характеристики.

l = q1 − q2 ,	(T4 − T3 )− Cv	(T5 − T1),
l = Cv (T3 − T2 )+ Cp

	k −1			лс		k
			+ kл(с −1)−				−1
l = CvT1е		л −1						.
				е	k −1

С учетом того, что

v1 −v2 = v1 1−1е ,

для среднеиндикаторного давления получим:

Это давление можно использовать для расчета индикаторной мощности двигателя

N= 2 Pi v n i [кВт],

i1000 ф

где

Pi [Па ]- среднее индикаторное давление;

V = рD42 S, м3 - рабочий объем цилиндра диаметром D при ходе поршня S;

n, об - число оборотов коленчатого вала ДВС в секунду;

τ - тактность двигателя;

i - число цилиндров двигателя.

При этом эффективная мощность ДВС немного меньше индикаторной, с учетом механического КПД:

Nе = Ni змех.

1.12.3. Цикл ДВС с подводом тепла при постоянном объеме

Цикл ДВС с подводом тепла при постоянном объеме - это цикл карбюраторного двигателя, предложенный еще в 1876 году, рисунок 1.12.4.

Рис. 1.12.4 - Цикл образуют два изохорных, 2-3 и 4-1,

идва адиабатных процесса – 1-2 и 3-4

Вэтом цикле после сжатия воздуха (адиабатный процесс 1-2) топливная смесь, получаемая в карбюраторе, воспламеняется от внешнего источника (искра) и сгорает практически при положении поршня в верхней мертвой точке (изохорный подвод тепла 2-3). Работа получается в адиабатном процессе расширения продуктов сгорания (3-4), после чего следует отвод тепла в окружающую среду, т.е. выхлоп отработавших газов (4-1). В этом цикле отсут-

ствует степень предварительного расширения, точнее, она равна единице (ρ=1). Общее выражение термического КПД,

зt =1−	q2	=1−	Cv (T4 −T1)	,
	q1		Cv (T3 −T2 )

может быть получено из формулы для цикла Тринклера при ρ = 1:

зt =1−	1	.
	еk −1

КПД карбюраторного двигателя растет с увеличением степени сжатия ε и зависит только от этой величины. На практике степень сжатия находится в интервале 6÷12, а среднеидикаторное давление,

Pi = P1 е	еk −1 −1	л −1	,

	е −1	k −1
ограничивается давлением 8÷12 бар.

1.12.4. Цикл ДВС с подводом тепла при постоянном давлении

Это цикл дизельного двигателя с внутренним смесеобразованием топлива и его самовоспламенением, которое обусловлено высокой температурой сжатого воздуха, рисунок

1.12.5.

Рис. 1.12.5 - Подвод тепла, при самовоспламенении топлива, в изобарном 2-3 процессе. Отвод тепла - в изохорном

процессе 4-1. Площадь цикла соответствует полученной

работе

Термический КПД цикла


з =1−q2 =1− Cv T4				−T1 .

t
	q		−T2
	q
	1	Cp T3
Если в общем выражении КПД цикла Тринклера принять степень повышения давления

λ = 1 (что соответствует циклу дизельного двигателя), то можно записать термический КПД через конструктивные характеристики:

		1	сk −1
зt =1−				.
зt =1−	е	k −1	k(с−1)	.
	е

Степень сжатия в дизельном двигателе заметно выше, чем в карбюраторном, и изменяется обычно от 12 до 20.

Среднеидикаторное давление цикла,

Pi = P1 (k −1е)(е−1) k еk −1 (с−1)− сk −1 ,

зависит от степени сжатия ε и степени предварительного расширения, обычные значения ко-

торой -- это ρ=1,5÷2,5.

В заключение отметим некоторые общие характеристики ДВС.

Первое, что касается КПД. Для каких двигателей этот КПД выше? Для тех, которые лучше. Лучше спроектированы, изготовлены, для тех, которые эксплуатируются в надлежащих условиях. Ориентировочно - КПД обоих типов двигателей находится в пределах 3040%. Преимущество карбюраторных двигателей - меньшая масса на единицу мощности. Преимущество дизелей - это, до недавнего времени, сравнительно низкая стоимость дизельного топлива. Единичная мощность дизельного двигателя больше, чем карбюраторного. Например, в тепловозах, или в крупных стационарных установках, используются, как правило, дизельные двигатели.

Небольшой пример из истории. Лучшим танком второй мировой войны признан Т-34, на котором, как и в большинстве советских машин, устанавливался дизельный двигатель мощностью около 500 л.с., что обеспечивало маневренность и хорошую скорость хода. Танки с той стороны имели карбюраторные (бензиновые) двигатели. Поэтому горели они, в буквальном смысле слова, гораздо лучше, чем дизельные. Техническое решение немецкого инженера Дизеля работало всю войну против фашистской Германии.

Далее приведем, в качестве примера, расчет одного из циклов ДВС.

Пример. Цикл карбюраторного двигателя. Для цикла ДВС с подводом тепла при постоянном объеме (см. рис. 1.12.4) определить параметры в точках цикла, количество подведенного и отведенного тепла, работу цикла и термический КПД. Начальные параметры Р1 = 1 бар, t1 = 20 °C. Конструктивные характеристики ε = 3,6, λ = 3,33. Принять, что продукты сго-

рания обладают свойствами воздуха. Изобарная теплоемкость Cp = 1,01 кДж , изохорная Cv

кг К

= Cp – R = 1,01 – 0,286 = 0,724 Дж .

кг К

Решение.

Точка 1. Р1 = 1 бар = 105 Па, t1 = 20 °C, Т1 = 293 К.

Из уравнения состояния определим удельный объем

RT1

= 286 293

= 0,84

м3 .

Точка 2.

105

кг

м3 .

0,84

v2 =

3,6 = 0,233

кг

Используя формулу адиабатного 1-2 процесса, определим конечную температуру

= T

v1 k −1

1,4

−1

293 3,6

= 489 К,

а из уравнения состояния давление

P =

RT2

286 489 = 6,02 105Па = 6,02 бар.

0,233

Точка 3.

м3 .

Для изохорного 2-3 процесса

v3 = v2 = 0,233 кг

= л = 3,33,

т.е.

P3 = P2 л = 6,02 3,33 = 20 бар,

Точка 4.

Т3 =Т2 л=489 3,33=1628 К.

м3

= v

=0,84

Для адиабатного 3-4 процесса

кг

k−1

1,4−1

=976К,

T4 =T3 v

=1628 3,6

P T

1976

P =

=3,33бар.

293

Количество подведенного тепла

кДж ,

q1 = Cv(T3 −T2 )

= 0,724(1628−489)= 825 кг

отведенного

q2 = Cv(T4 −T1)= 0,724(976−293)= 495 кДжкг .

Работа в цикле

l = q1 −q2 = 825 −495 = 330 кДжкг ,

а термический КПД

з	t	=	l	=	330	= 0,4,
			q1		825

или					з t =40%.

1.13. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК (ГТУ)

1.13.1.Общие положения

Газовые турбины применяются на судах, на железнодорожном транспорте, а также в авиации как составной элемент турбореактивных и турбовинтовых двигателей. В энергетике используемое их количество невелико, хотя и является весьма эффективным для закрытия пиковых нагрузок.

По сравнению с поршневыми ДВС газотурбинные установки имеют определенные преимущества. Это, во-первых, меньшая металлоемкость на единицу мощности. Во-вторых, отсутствие кривошипно-шатунного механизма, т.е. простота конструкции, обеспечивающей вращательное движение, плавность и равномерность хода установки. Наконец, газотурбинные установки имеют большую, по сравнению с ДВС, единичную мощность (десятки и сотни киловатт).

Недостаток ГТУ - их КПД ниже, чем для ДВС.

Газотурбинные установки можно разделить по характеру подвода тепла на два типа, - ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении и ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме.

1.13.2. Цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении

Схема ГТУ представлена на рисунке 1.13.1, а термодинамический цикл в рабочей и тепловой диаграммах на рисунке 1.13.2.

Рис. 1.13.1 - Схема ГТУ включает следующие элементы:

компрессор1, камеру горения 2, газовую турбину 3, работающую на привод электрогенератора

(на рисунке не показан)

Рис. 1.13.2 - Цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении

Для рис. 1.13.2 отметим классические процессы, составляющие цикл ГТУ.

1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, после чего воздух поступает в камеру горения;

2-3 - горение топлива при постоянном давлении (подвод тепла); 3-4 - адиабатный процесс расширения продуктов сгорания в газовой турбине, получение ра-

боты; 4-1 - выброс продуктов сгорания в окружающую среду (в атмосферу).

Термический КПД рассматриваемого цикла

−1

=1−

з =1−q2 =1− Cp T4

−T1

T1 .

−T

v 3

−

Введем конструктивные характеристики для цикла ГТУ.

1. в = P2 −степень повышения давления (в компрессоре);

2. y =	T3	−степень повышения температуры в ГТУ.
2. y =	T	−степень повышения температуры в ГТУ.
	1

По сути, это отношение максимальной температуры в цикле (см. TS-диаграмму) к минимальной, т.е. T3 = Tmax .

T1 Tmin

Запишем отношение температур через конструктивные характеристики. Так, для процесса 1-2

T2	=	P2	k −1		k −1
			k	=в		.
					k
T		P

1		1

В адиабатном процессе 3-4

k−1

k =в

, или

k−1

Учитывая, что

= y, получим следующее:

k −1

Подставим это в формулу для термического КПД.

−1

k−1

=1−

k−1

y−в k

в k

КПД ГТУ увеличивается с ростом β, или, проще говоря, с ростом давления на выходе из компрессора. Практически термический КПД цикла ГТУ составляет примерно 20-25%. Одним из эффективных способов повышения КПД является регенерация тепла. В самом деле, неразумно выбрасывать в атмосферу отработавшие продукты сгорания с достаточно высокой температурой. Полезнее направить их на подогрев воздуха, который затем поступит в камеру горения, рисунок 1.13.3.

Рис. 1.13.3 - Схема ГТУ с регенерацией тепла. Отработавшие в газовой турбине продукты сгорания часть тепла передают сжатому воздуху в теплообменнике 4

Цикл ГТУ с регенерацией показан на диаграммах, рисунок 1.13.4.

В идеальном случае регенерации можно было бы передать воздуху тепло в количестве

q= C p T4 − T2 .

Вдействительности передается только часть этого тепла, т.е. возвращаемое, регенерируемое, количество тепла

qрег = у Cp T4 − T2 ,

Рис. 1.13.4 - Тепло, отведенное в процессе 4-6, отдается воздуху после компрессора,

процесс 2-5

Здесь σ - коэффициент регенерации тепла. Обычно его значение находится в пределах 0,5÷0,7. Тепло, подводимое за счет сжигания топлива, уменьшается до

q1 =Cp (T3 −T2 )−Cp у(T4 −T2 ),

а тепло, отводимое в таком цикле,

q2 =Cp (T4 −T1)−Cp у(T4 −T2 ).

Общий КПД при использовании регенерации возрастает на 2-3%.

1.13.3. Цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме

Топливо сгорает в этом цикле в замкнутом объеме, рисунок 1.13.5, что способствует повышению давления продуктов сгорания, поступающих в газовую турбину.

Покажем цикл ГТУ в рабочей и тепловой диаграммах, рисунок 1.13.6.

Рис. 1.13.5 - Схема ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме: К - компрессор; К.Г - камера горения;

Г.Т - газовая турбина

Рис. 1.13.6 - Цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме в Pv и TS - диаграммах

Подводимое в изохорном процессе тепло

q1 =Cv T3 −T2 ,

отводимое в изобарном -

q2 =Cp T4 −T1 .

Термический КПД цикла

=1−k T4 −T1

−1

з =1−q2 =1− Cp T4

−T1

=1−k T1 .

−T

T3 −T2

−

Обозначив степень повышения давления при сжатиив = P2 , а в камере горенияλ=

используя формулы известных процессов, запишем отношение температур:

─

для процесса 1-2

k −1

= в

─

для изохорного 2-3

= л,

k −1

= л в k ,

─

для адиабатного 3-4

P3 и P2

T	P		k −1
T	P		k
4	=	4
T		P
		3

	P	k −1
	P	k
=	1
	P
	3

k −1

(л в)

1 T4 = T4 T3 = лk . T1 T3 T1

Тогда термический КПД цикла,

					1
з	t	=1−	k	лk		−1	,
з		=1−	k −1	л−1			,
			k −1	л−1

в k

как видно из этой формулы, возрастает с увеличением β и λ. На практике их значения ограничены максимальной температурой газа, поступающего в турбину.

В целом, однако, как отмечалось ранее, КПД газотурбинных установок заметно меньше, чем для двигателей внутреннего сгорания.

1.14. ЦИКЛЫ ПАРОСИЛОВЫХ УСТАНОВОК (ПСУ)

1.14.1.Общие положения. Водяной пар

Всовременной энергетике основными двигателями, приводящими во вращение электрогенераторы для получения электрической энергии, являются паровые турбины. Рабочим телом является водяной пар.

Водяной пар - это реальный газ, находящийся вблизи состояния насыщения.

Процесс перехода жидкости в пар при постоянной температуре (и давлении) называется парообразованием. Кипением назовем парообразование, происходящее по всему объему жидкости, а конденсацией - процесс, обратный парообразованию.

Рассмотрим Pvдиаграмму воды и водяного пара, рисунок 1.14.1.

Рис. 1.14.1 - Капельную (обычную) жидкость следует нагреть до кипения (точка б), затем всю превратить в пар (точка в) и полученный пар перегреть. Это состояние - перегретый пар - и есть, собственно, рабочее вещество для паровой турбины

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 146 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете Технология пищевых производств

#
22.08.201312.85 Mб131Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пишевых п.pdf
#
22.08.2013877.54 Кб95Термодинамика и теплопередача (Люкшин) 2002.pdf