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 l_o – 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 (N_i) – это работа, совершаемая газами в ци­линдрах двигателя в единицу времени, т.е.

 

N_i = 2p_iV_hni /10³ , кВт, (5.2)

 

где: p_i – среднее индикаторное давление, Па;

V_h – рабочий объём цилиндра, м³;

n - частота вращения коленчатого вала, об/с;

- тактность двигателя;

i - число цилиндров.

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

V_h= , (5.3)

где D - диаметр цилиндра, м;

S - рабочий ход поршня, м.

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

N_e = , 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 (N_л) – 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.