Студопедия Главная Случайная страница Задать вопрос

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Теплоэнергетические машины и установки





В теплоэнергетике тепловые установки принято делить на три основные группы:

- двигатели внутреннего сгорания (ДВС);

- газотурбинные установки (ГТУ), включая реактивные двигатели;

- паросиловые установки (ПСУ).

В двигателях внутреннего сгорания процесс подвода теплоты (сжига­ния топлива) и процесс превращения её в работу, происходит внутри цилин­дра.

В газотурбинных установках и реактивных двигателях процесс сжи­гания топлива также является составной частью рабочего процесса, но воз­вратно-поступательное движение поршня в цилиндре заменено на враща­тельное движение рабочего колеса турбины.

В паросиловой установке со­общение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате - паро­вом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу – в паровой турбине. Крупные блочные паросиловые установки, снабженные электроге­нераторами и работающие на органическом топливе, называются тепло­выми электрическими станциями (ТЭС).

В циклах тепловых двигателей первых двух групп (теплосиловых устано­вок) в качестве рабочего тела используются продукты сгорания топлива, ко­торые на протяжении всего цикла находятся в одном агрегатном состоянии и при относительно высоких температурах их можно считать идеальными га­зами. Характерной чертой третьей группы является использование таких ра­бочих тел, которые в рабочем цикле претерпевают агрегатные изменения (жидкость, насыщенный пар, перегретый пар) и подчиняются законам реаль­ного газа [4].

Преобразование теплоты в работу в тепловых двигателях связано с про­теканием сложных необратимых процессов, учёт которых делает невозмож­ным теоретический анализ термодинамических циклов. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы устано­вок, действительные процессы заменяют обратимыми типовыми термодина­мическими процессами, допускающими применять для их анализа термо­динамические методы. Такие циклы называются теоретическими. Степень совершенства теоретического цикла характеризуется величиной термиче­-

ского коэффициента полезного действия (КПД), который обозначается и учитывает неизбежную термодинамическую потерю теплоты q2 :

, (5.1)

 

где lo полезная работа цикла;

q1 подводимая теплота.

С термодинамической точки зре­ния необходимо стремиться к повы­шению термического КПД цикла, однако, в ряде случаев это связано со значи­тельным усложнением и удорожанием установки. Может оказаться, что эко­номия средств за счёт снижения расхода топлива будет меньше увеличения расходов на сооружение и обслуживание установки. Поэтому решения о це­лесообразности создания установки с более высоким КПД может быть при­нято только на основании технико-экономических расчётов.

В идеальном случае двигатель внутреннего сгорания, как и любой теп­ловой двигатель, должен работать по циклу Карно, имеющему в заданном диапазоне температур самый высокий КПД. Однако, вследствие конструктив­ных трудностей двигатель внутреннего сгорания, в котором подвод и отвод теплоты происходили бы по изотермам, построить не удалось. Технически более целесообразно подводить теплоту по изохоре или изобаре.

Вопрос: для чего нужен цикл ….?

На рис. 5.1. изображена схема устройства четырёхтактного ДВС и диаграмма его рабочего процесса в координатах. Обычно двигатель со­стоит из четырёх цилиндров. Цилиндр двигателя 1 снабжён двумя клапанами - впускным 2 и выхлопным 4, расположенными в головке цилиндра и управ­ляемыми газораспределительным механизмом, который на схеме 5.1. не по­казан. Поршень 5 совершает циклическое возвратно-поступательное движе­ние, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из шатуна 6 и кривошипа 7, преобразуется во вращательное движение вала 8. Крайние положения поршня, при которых направления его движений изме­няются напротивоположные, называются соответственно верхней мёртвой точкой (ВМТ) и нижней мёртвой точкой (НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ принято называть ходом поршня, а объём рабочего тела, вы­талкиваемый за один ход поршня – рабочим объё­мом цилиндра. Рабочий объём цилиндра является технической характеристикой ДВС.

 

  Рис. 5.1

 

Описание рабочего процесса двигателя начинается с такта всасывания I, когда поршень 5 движется от ВМТ вниз при открытом выпускном клапане 2.

Под действием небольшого раз­ряжения ( < ) в цилиндр посту­пает смесь бензина с воздухом, приготовленная в специальном устройстве карбюраторе (вариант 2 – инжектор)*. В НМТ впускной клапан 2 закрывается и поршень, двигаясь в обратном направлении, совершает такт сжатия II. Вблизи ВМТ свечей 3 по­даётся искра и в момент прихода поршня в ВМТ топливовоздушная смесь сгорает. При сгорании топлива его температура и давление продуктов сго­рания резко возрастает и начинается такт рабочего хода III. В ДВС высокого сжатия свеча зажигания отсутствует, и возгорание топлива осуществляется впрыскиванием через форсунку жидкого топлива в среду сильно сжатого и нагретого до 500 ÷ 600°С воздуха. Осуществляемый после возгорания такт расширения III называется рабочим ходом, т.к. в этом такте совершается по­лезная работа. Вблизи НМТ открывается выпускной клапан 4, давление па­дает и при движении поршня вверх от НМТ к ВМТ отработанные газы вытал­киваются из цилиндра при давлении, несколько больше атмосферного (такт выхлопа IV). Описанная последовательность тактов рабочего процесса ДВС записывается обычно индикатором и называется индикаторной диаграммой. На индикаторной диаграмме записывается изменение объёма цилиндра в зависимости от положения поршня.

Вопрос: «опережение зажигания»! Для чего?

 

Действительные процессы, протекающие в ДВС являются необрати­мыми, поэтому индикаторную диаграмму нельзя отождествлять с замкнутым термодинамическим циклом. Для теоретического анализа действительных

процессов обычно используются приближённые термодинамические циклы, состоящие из обратимых процессов. На практике установлено, что эффек­тивность работы ДВС во многом зависит от способов подвода теплоты, оп­ределяемых тремя различными циклами:

- с подводом теплоты при v = const;

- с подводом теплоты при p = const;

- со смешанным подводом.

Сравнительный теоретический анализ этих циклов показывает, что для лучшего использования подводимой теплоты целесообразно осуществлять цикл со смешанным подводом, а именно, изохорный подвод (v = const) осу­ществлять до момента получения максимально допустимого давления, после чего переходить на изобарный процесс (p = const). По этому циклу ра­ботают все современные ДВС на дизельном топливе.

Основными техническими характеристиками двигателя внутреннего сго­рания являются рабочий объём цилиндра и мощность. Известно, что дейст­вительная мощность двигателя по ряду причин всегда меньше теоретиче­ской, поэтому в двигателестроении мощности подразделяются на индика­торную, эффективную и литровую.

Индикаторная мощность (Ni) – это работа, совершаемая газами в ци­линдрах двигателя в единицу времени, т.е.

 

Ni = 2piVhni /103 , кВт, (5.2)

 

где: pi – среднее индикаторное давление, Па;

Vh – рабочий объём цилиндра, м3;

n - частота вращения коленчатого вала, об/с;

- тактность двигателя;

i - число цилиндров.

В уравнении (5.2) рабочий объём цилиндра Vh определятся по формуле (5.3):

Vh= , (5.3)

где D - диаметр цилиндра, м;

S - рабочий ход поршня, м.

Эффективная мощность (Ne) – это мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы:

Ne = , кВт, (5.4)

где - механический КПД двигателя.

Механический КПД современных двигателей внутреннего сгорания со­ставляет 0,72 ÷ 0,9. Как видно из уравнения (5.2) мощность ДВС зависит не

только от размеров цилиндра, но и от создаваемого в нём давления. Для оценки эффективности использования рабочего объёма цилиндра использу­ется понятие литровой мощности.

Литровая мощность двигателя (Nл) – это отношение эффективной мощности к литражу двигателя.

Оценка экономичности действительного рабочего цикла осуществляется с помощью индикаторного КПД.

Индикаторный КПД определяет степень использования теплоты в действительном цикле с учётом тепловых потерь:

, (5.5)

где B – расход топлива, кг/с;

- низшая теплота сгорания топлива, ;

Если в уравнении (5.5) вместо индикаторной мощности подставить эф­фективную мощность двигателя , то получим выражение для определе­ния эффективного КПД :

= (5.6)

Анализ эффективности работы различных ДВС позволяет осуществлять обоснованный выбор типов двигателей в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации и, в конечном счёте, минимизировать затраты на транспортные перевозки. Например, замена карбюраторного двигателя на дизельный одинаковой мощности позволяет сэкономить до 17% топлива за счёт более высокого эффективного КПД дизельного двигателя.

Существенным недостатком ДВС является возвратно поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. Этого недостатка лишены газовые турбины, так как в них рабочим телом так же являются продукты сгорания топлива, но возвратно-поступатель­ный закон движения рабочего органа заменён на вращательный.

Одним из важных направлений применения тепловых машин является выработка искусственного холода, которая осуществляется в холодильных установках.

Холодильная установка – это тепловая машина, предназначенная для понижения температуры тела ниже окружающей среды и непрерывного поддержания этой температуры. В промышленности установка глубокого холода, охлаждающие контактирующие с ними вещества до - 200°С, исполь­зуются для сжижения воздуха и других газов.

В массовом производстве широкое распространение получили паровые холодильные установки в которых в качестве хладагентов используются пары фреона – 12 или аммиака, имеющие низкие температуры кипения1.

В холодильных установках осуществляется переход теплоты от тела с меньшей температурой к телам более нагретым. Согласно второму закону термодинамики такой переход в естественных условиях невозможен, для его осуществления необходим компенсирующий процесс с затратой внешней энергии. Такими процессами могут быть превращение работы в теплоту или переход теплоты от горячего тела к холодному.

  а)     б)
Рис. 5.5

Установки, в которых энергия для получения холода затрачивается в виде механической работы на привод компрессора, называются компрессионными, а установки, в которых энергия затрачивается в виде теплоты на термодинамическую компрессию – абсорбционными.

Схема и диаграмма цикла паровой компрессионной холодильной уста­новки показаны на рис. 5.5.

Насыщенный пар хладагента всасывается компрессором К и адиабатно сжимается до давления с затратой работы (процесс 1-2, рис.5.5 б). Из компрессора сжатый пар поступает в конденсатор, где при постоянном дав­лении вследствие отнятия у пара теплоты охлаждающей водой (про­

 

цесс 2-2' ) перегретый пар становится насыщенным, а затем при постоян­ной температуре Т1 осуществляется его полная конденсация (процесс 2'–3).

_______________

1Температура кипения фреон: -12 - 30°С

 

Дальнейшее снижение температуры жидкого хладагента осуществляется в дроссельном регулируемом вентиле D . В процессе дрос­селирования (3-4) резко понижается давление, в результате чего хладагент охлаждается. На

T-s диаграмме процесс дросселирования показан пунктир­ной линией, как необратимый процесс при i = const. Образовавшаяся после дросселирования низкотемпературная парожидкостная смесь под небольшим давлением поступает в испаритель И холодильной камеры Х (рис. 5.5 а). В испарителе при постоянной температуре Т2 происходит отбор теплоты от охла­ждаемых объектов и за счёт этого хладагент вскипает (процесс 4-1). Пар, образовавшийся в точке 1, вновь захватывается компрессором и цикл повторяется.

Эффективность цикла холодильной установки характеризуется холо­дильным коэффициентом :

(5.9)

В уравнении (5.9) количество теплоты , отнятой 1 кг хладагента от охла­ждаемой среды, называется удельной хладопроизводительностью.

Эффективность холодильных установок зависит также от свойств при­меняемых хладагентов. Например, при температурах = 30°С и = -15°С для аммиака = 4,85, для фенола -12 = 4,72. Для любого хладагента в этом диапазоне температур в идеальном обратном цикле Карно 5,74.

Из приведённых данных видно, что парокомпрессорный холодильный цикл наиболее эффективен как для аммиака, чем для фенола -12, но несмотря на то, что > аммиак в настоящее время используется весьма ограни­чено из-за его токсичности и взрывоопасности.






Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 412. Нарушение авторских прав

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.095 сек.) русская версия | украинская версия