Теоретические основы теплотехники - РУС
..pdf
Регенератор представляет собой теплообменный аппарат, в котором тепло уходящих продуктов сгорания передается воздуху, сжатому в компрессоре.
Регенерация возможна лишь при T4 T2
Для идеального цикла при полной регенерации
|
t рег. = 1 - T1/T4 |
|
= T4 k-1/k |
q1 |
= Cp(T3-T5) = Cp(T3-T4) ; |
T3 |
|
q2 |
= Cp(T6-T1) = Cp(T2-T1) ; |
T2 |
= T1 k-1/k |
t = 1 - q2/q1 = 1- (T1 k-1/k-T1)/(T4 k-1/k-T4) = 1 - T1/T4
Для реального цикла т.к. п.д. всегда меньше, т.к. полную регенерацию осуществить нельзя вследствие конечной разности температур продуктов сгорания и подогреваемого воздуха в теплообменнике, а также ограниченных размеров самого теплообменника.
4.Многоступенчатые сжатие воздуха с промежуточным его охлаждением и многоступенчатые сгорания топлива.
Сжатый воздух охлаждается в промежуточных холодильниках. Обычно осуществляют трехкаскадное сжатие воздуха.
При сгорании топлива в камерах сгорания ГТУ коэффициент избытка воздуха обычно составляет 3 - 5. Поэтому продукты сгорания содержат большое количество свободного кислорода, который можно использовать для дожигания топлива в промежуточной камере сгорания.
5.Применение ГТУ замкнутой схемы. В качестве рабочего тела целесообразно использовать одноатомные газы (К=1,66). Тогда т.к. п.д. выше при тех же степенях сжатия (повышения давления). Такие схемы представляются перспективными для ядерных ГТУ.
6.Утилизация тепла уходящих газов ГТУ. Теплоту уходящих газов можно не пользовать для получения пара и горячей воды.
ГТ25-700 ЛМЗ снабжена сетевым подогревателем, позволяющим получать воду
температурой 150-160 С.
7. Использование тепла уходящих газов ГТУ для подогрева воды и парообразования в паросиловых установках (парогазовый цикл).
Парогазовая установка является бинарной установкой. Пример - эсминец США “Орли Берх”. Подобные установки используются как в энергетике, так и на
51
транспорте (судовые ГТУ с утилизационными паровыми котлами. Паровая и газовая турбины работают на общий редуктор)
9.10. Недостатки ГТУ
1.Низкая температура газа перед турбиной, т.е. низкая максимальная температура цикла ГТУ.
2.Отсутствие компактных теплообменников для регенерации тепла в ГТУ.
3.Определенная сложность регулирования транспортных ГТУ.
4.Малый срок службы по сравнению с паровыми турбинами.
9.11. Газотурбинные установки в строительстве, системах теплогазоснабжения.
1.ГТУ применяются в качестве пиковых приводов на электростанциях.
2.Используются на временных электростанциях.
3.ГТУ применяются в качестве приводов компрессоров магистральных газопроводов. В качестве топлива используется перекачиваемый природный газ. В качестве привода используются авиационные ГТД, выработавшие свой ресурс.
52
10. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ДВС.
Клапанный механизм связан c кривошипно-шатунным.
Двигатели внутреннего сгорания отличаются от паровых тем, что сгорание происходит внутри рабочего органа машины.
Первые попытки принадлежали механику Ленуару (Франция). В 1860 г. был построен двигатель, работавший на светильном газе. К. п. д. был низок – не выше паровой машины.
В 1862 г. Бо – де – Роша (Франция) запатентовал, а в 1877 г. Отто (Германия) построил бензиновый двигатель.
Цикл Отто (υ = const)
В термодинамике исследуют не реальные необратимые процессы в ДВС, а идеальные обратимые циклы. В качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Полагают, что подвод теплоты осуществляется не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты.
0- 1 – так всасывание (наполнения). Термодинамическим процессом не является. Смесеобразование – в карбюраторе.
1– 2 адиабатное сжатие горючей смеси
- зажигание смеси от свечи 2 – 3 – изохорный подвод тепла q1
3 – 4 – адиабатное расширение
4 – 1 – изохорный отвод тепла q2 4 – 0 – такт выпуска (выхлопа)-
Рис. 17.2а
Нетермодинамический процесс
Т2 = Т1 εк-1
υh – рабочий объем
Т3 = Т1 λ εк-1
υh = υ1 – υ2
Т4 = Т1 λ
1 - степень сжатия;
2
3 - степень повышения давления.
2
При анализе циклов считают параметры рабочего тела 1 известными. Тогда можно определить параметры в точках 2, 3, 4 и выразить их через параметры точки 1.
53
Т. к. п. д. цикла Отто
1 |
q2 |
1 |
Cv(T4 T1) |
1 |
T4 T1 |
1 |
1 |
q |
|
T T |
k 1 |
||||
t |
|
C (T T ) |
|
||||
|
1 |
|
v 3 2 |
3 2 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
t |
k 1 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Т. к .п. д. цикла Отто зависит только от рода рабочего тела и степени сжатия. |
|||||||||
Ε |
|
2 |
|
4 |
|
6 |
8 |
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ηt |
|
0.25 |
|
0.43 |
0.52 |
0.57 |
0.61 |
|
|
|
К= 1.4
Сувеличением степени сжатия темп нарастания ткпд падает, но рост продолжается, хотя и очень медленно. Рабочее топливо – бензин (легкие моторные топлива), газ.
1.При повышении степени сжатия возникает преждевременное воспламенение в цилиндре, что вызывает отрицательную работу и снижение ткпд.
2.Детонация. Скорость сгорания при этом 2000 м/с. При нормальном горении – 20 – 30 м/с. Антидетонаторы дорогие и вредные добавки.
10.1. Цикл Дизеля (р = const)
Разработан в 1897 г. Первый двигатель работал на керосине. Распыления топлива – компрессором воздушным.
1 – 2 сжатие воздуха (ε – до 20)
|
|
3 |
- |
степень |
предварительного |
|
|
||||
|
2 |
|
|
|
|
расширения 3 – 4 – адиабатное расширение
Рис.17.3а
Если провести подсчет ткпд цикла Дизеля по аналогии с подсчетом ткпд цикла Отто, то получим
1 |
1 |
|
k 1 |
|
|
||
t |
k 1 |
|
k( 1) |
|
|
K = 1.41
При одинаковых степенях сжатия ткпд цикла Отто выше ткпд цикла Дизеля. Для работы дизелей используются тяжелые моторные топлива (соляровое
масло, нефть). Они значительно дешевле, менее опасны в пожарном отношении.
54
Недостатки дизельных двигателей – больший вес, большая стоимость, шумность, сложность регулирования. Экономичность дизельных двигателей высокая.
Пока это самые экономичные двигатели Удельный расход доходит (ве) до 0.18 – 0.2 кг/ кВт час, ηе – до 40%.
Компрессор требует больших затрат мощности (до 10%).
10.2. Цикл Тринклера (цикл со смешенным подводом тепла)
Запатентован Сабатэ. Первый двигатель в 1893 построил Мамин.
|
p3 |
; |
|
1 |
; |
|
4 |
|
|
||||||||
|
||||||||
|
p2 |
2 |
3 |
|||||
Тринклер в 1904 г. построил бес компрессорный двигатель, работавший по такому циклу.
Рис. 17.4.а
Топливо распыляется механически при помощи плунжерного насоса и форсунки при давлениях до 70 мПа
1 |
1 |
|
k 1 |
|
|
||
t |
k 1 |
|
( 1) k ( 1) |
|
|
Цикл Отто (ρ = 1) и цикла Дизеля (λ = 1) – частные случаи цикла Тринклера. По этому циклу работают большинство современных двигателей.
10.3. Изображение циклов двигателей внутреннего сгорания в Т – S координатах.
10.3.1. Цикл Отто, цикл Дизеля
Рис. 17.2б Рис.17.3б
55
При равных степенях сжатия и равенстве максимальных температур циклов Т3 цикл Дизеля имеет более низкий к. п. д., чем цикл Отто
ηtизоб < ηtизох
Этот вывод можно получить, сравнивая среднеинтегральные температуры подвода и отвода тепла в этих циклах
ηtизоб < ηtизох
При разных степенях сжатия и одинаковых максимальных температурах циклов Т3 цикл Дизеля имеет больший к. п. д. по сравнению с циклом Отто.
10.4. Двухтактные д. в. с.
Основное отличие от четырехтактных состоит в том, что наполнение цилиндра горючей смесью или чистым воздухом осуществляется в наличии хода сжатия, а выпуск продуктов сгорания – в конце рабочего хода
Эффективный к. п. д. двухтактных д. в. с. невысок, удельный расход топлива у них существенно выше, чем у четырехтактных.
Применяются двухтактные д. в. с. в основном при необходимости достижения малой удельной массы двигателя (мотопилы, мотоциклы, модели и т.
п.)
10.5. Классификация
1.По рабочему циклу – двухтактные и четырехтактные.
2.По способу смесеобразованию – с внешнем и внутренним смесеобразованием.
3.По способу воспламенения – с самовоспламенением от сжатия;
своспламенением от электрической искры;
своспламенением от калоризатора;
4.По роду топлива – газовые;
двигатели легкого топлива (бензиновые) двигатели тяжелого топлива (дизельные)
5.По назначению – стационарные передвижные транспортные (авто, авиа, судо, тепловозные)
6.По конструктивному исполнению. Классификация еще более обширна.
10.6. Применение ДВС в строительстве.
Главным образом 4-х тактные дизели, 4-х тактные карбюраторные двигатели.
Применение:
1.Привод компрессоров
2.Строительные машины (экскаваторы, бульдозеры, монтажные краны).
3.Временные электростанции – для привода электрогенераторов.
Иногда используется дизель – электрические или дизель – гидравлические передачи.
На газоперекачивающих станциях применяются ДВС и ГТУ в качестве приводов на компрессорных станциях перекачки газа. В последние годы
56
используются авиационные ТРД, выработавшие свой летный ресурс. Топливом служит газ из газопровода.
10.7. Индикаторная диаграмма.
Индикаторная диаграмма – кривая зависимость давления в цилиндре двигателя от объема рабочего тела.
Среднее индикаторное давление – условное постоянное избыточное давление, которое, действия на поршень, совершает за один цикл.
Индикаторная мощность двигателя – мощность, развиваемая внутри цилиндра.
Lу = pi Vh, где Vh – рабочий объем цилиндра;
N pi Vh i n |
|
i |
30 , где i – число цилиндров; |
n – скорость вращения, об/мин; i – число цилиндров;
τ = 4 для четырехтактных двигателей; τ=2 для двухтактных двигателей;
Ni pi D2 H i n, где D – диаметр цилиндра;
120 i
H – ход поршня.
Эффективная мощность – мощность отдаваемая потребителю, мощность на выходном валу двигателя
Ne = Ni ηм где ηм – механическая к. п. д., учитывающий потери на трение и привод вспомогательных механизмов.
ηм = 0.7…0.92
10.8. Эффективный КПД и расход топлива.
e |
Ne |
, где |
QP |
- низшая рабочая теплота |
P |
||||
|
mTQH |
H |
||
|
|
|
|
сгорания топлива; mT – расход топлива, кг/с
Для карбюраторных двигателей ηе = 0.22…0.32 Для дизельных двигателей ηе = 0.32…0.50
g |
mT |
|
1 |
|
|
N |
QP - эффективный расход топлива |
||||
e |
|
||||
|
e |
|
e H |
||
QHP 40000кДж/кг
для нефтяных топлив
Для карбюраторных двигателей ge = 0.27…0.4 кг/кВт час Для дизельных двигателей ge = 0.16…0.27 кг/кВт час
57
10.9. Перспективные направления в развитии д.в.с.
Суммарная мощность всех д.в.с. значительно превышает суммарную мощность всех электростанций. Они являются одними из главных загрязнителей окружающей среды.
Карбюраторные д.в.с. выбрасывают в атмосферу окись углерода (СО), тетроэтилсвинец Рв(С2Н5)4, применяющийся в качестве антидетонатора.
Дизельные двигатели дают выбросы сажи, углеводородов.
И карбюраторные, и дизельные дают выбросы в атмосферу альдегиды, окислы азота.
В настоящее время проводятся большое количество исследований и работ по переводу д.в.с. на другие топлива:
1.Газообразные топливо, сжиженные газы;
2.Спирты (особенно в тропических странах);
3.Водород в качестве топлива. Такие исследования ведутся, в частности в содружестве с институтом проблем машиностроения АН УССР.
58
11. ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА.
Теория теплообмена - наука о процессах распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.
Согласно 2 закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры. Закономерности переноса теплоты и количественные характеристики этого процесса являются предметом исследования теории теплообмена.
Различают три основных вида (способа) передачи тепла: теплопроводность; (нагрев стержня)
конвекция; (калориферы)
тепловое излучение; (солнечная энергия)
Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в сплошной среде. Этот процесс возникает при неравномерном распределении температур в среде. Перенос теплоты происходит между непосредственно соприкасающимися телами
или частицами тел с |
различной температурой. |
Конвекция - |
перенос теплоты при перемещении объемов жидкости или |
газа в пространстве. Происходит только в газах или жидкостях. При этом перенос теплоты неразрывно связан с самим переносом среды.
В теории теплообмена, как и в гидромеханике, термином “жидкость” обозначается любая сплошная среда, обладающая свойством текучести. Подразделение на “ капельную жидкость” и “газ” осуществляется только в том случае, когда агрегатное состояние вещества играет в рассматриваемом процессе существенную роль.
Тепловое излучение - процесс распространения теплоты с электромагнитными волнами. При этом внутренняя энергия тела переходит в энергию излучения, электромагнитные волны распространяются в пространстве, энергия излучения поглощается другими телами.
Элементарные процессы распространения тепла - теплопроводность, конвекция и тепловое излучение обычно происходят совместно.
Виды переноса тепла.
Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твердых телах.
Конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом.
Теплоотдача (конвективная теплоотдача) - обмен теплом между твердой поверхностью и жидкостью путем теплопроводности и конвекции.
Радиационно - кондуктивный теплообмен - обмен теплом при передачи его теплопроводностью и излучением.
Радиационно - конвективный (сложный) теплообмен - передача теплоты конвекцией, теплопроводностью и излучением - совокупность всех трех видов переноса теплоты.
59
Теплопередача - процесс теплообмена между двумя жидкими теплоносителями, разделенными твердой стенкой.
11.1. Теплопроводность.
Металлах основной передатчик теплоты - свободные электроны. В диэлектриках и жидкостях тепло передается путем упругих волн. В металлах влияние колебаний является второстепенным по сравнению с переносом энергии путем диффузии свободных электронов.
В газах перенос энергии обусловлен диффузией молекул и атомов. Т.о. теплопроводность обусловлена движением микрочастиц вещества.
В жидкостях и газах чистая теплопроводность может быть реализована только при отсутствии переноса тепла конвекцией.
Температурное поле.
Температурное поле - совокупность температур всех точек исследуемого пространства в каждый момент времени.
t = t (x,y,z, ) - этим уравнением описывается температурное поле в общем виде.
Температура изменяется как от одной точки к другой, так и во времени. Такое поле называется нестационарным.
Если температура в каждой точке поля не изменяется во времени, то такое поле называется стационарным.
Поля могут быть трех-, двух- и однокамерными, причем как стационарными,
так и нестационарными. |
|
|
Двухмерные |
t = t(x,y, ); t/ z=0 |
t = t(x,y); t/ z=0 |
Одномерное |
t = t(x, ); t/ z=0 |
t = t(x); t/ z=0; |
Этими уравнениями описываются двухмерные и одномерные поля.
Температурный градиент.
Изотермическая поверхность - геометрическое место точек с равными температурами.
Т.к. одна точка не может иметь двух температур, то изотермические поверхности никогда не пересекаются друг с другом. Замыкаются сами на себя или обрываются на границах тела.
Изотерма - линия пересечения изометрической поверхности с плоскостью. Изотермы также никогда не пересекаются друг с другом.
На рисунке изображены две изотермы, температуры которых отличаются на t
t/ n t/ x т.к. n x
60