Газовые циклы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Все термодинамические циклы можно разделить на две основные группы:

Циклы тепловых двигателей - прямые циклы.

Циклы тепловых машин-орудий - обратные циклы.

Первая группа прямых циклов в результате их совершения дает положительную результирующую работу, которая может быть использована каким-либо потребителем, и для своего осуществления требует затраты тепла. Вторая группа обратных циклов тепловых машин-орудий требует для своего совершения затраты механической работы.

Будем рассматривать идеальные циклы, т.е. обратимые равновесные термодинамические циклы. В этих циклах встречаются только обратимые термодинамические процессы подвода или отвода тепла. Никакие процессы сгорания, наполнения, выпуска газов и прочие в подобных термодинамических циклах не рассматриваются, т.к. все это процессы реальных тепловых двигателей. Поэтому будем полагать, что все рассматриваемые циклы совершаются в идеальных тепловых машинах, в частности, прямые циклы в идеальных тепловых двигателях, в которых совершаются обратимые равновесные термодинамические процессы, следовательно, отсутствуют реальные потери на трение, теплопередачу и др. В качестве рабочего тела здесь принимают идеальный газ, процессы сжатия и расширения термодинамического рабочего тела (ТРТ) в цикле происходят по адиабате. В данном разделе будем рассматривать лишь газовые циклы.

1. Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

1.1 Прямой газовый изохорный цикл неполного расширения

Будем полагать, что данный цикл совершается в тепловом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, основным элементом которого является цилиндр с поршнем.

На рис. 1 представлена схема четырехтактного теплового двигателя с внешним смесеобразованием, работающего по изохорному циклу неполного расширения и индикаторная диаграмма этого двигателя.

При работе двигателя поршень I совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, на головке которого установлены всасывающий III и выпускной IV клапаны.

Процесс 1-а - процесс всасывания, поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), при этом открывается всасывающий клапан и в цилиндр подается горючая смесь, состоящая из воздуха и топлива. В качестве топлива в таком типе двигателя применяются бензин, спирты, светильный или генераторный газ и др. («легкое топливо»).

ВМТ IIMT '

Рис. 1

Процесс а-с - процесс сжатия, поршень в этом процессе движется от НМТ до ВМТ, всасывающий клапан при этом закрывается, давление горючей смеси возрастает.

Процесс c-z - процесс сгорания смеси, который, считается, происходит мгновенно, т.е. без изменения объема (поршень не успевает переместиться). В этом процессе тепло подводится к рабочему телу, давление и температура повышаются.

Процесс z-b - процесс расширения продуктов сгорания, поршень при этом движется от ВМТ до НМТ, совершая работу расширения, давление и температура продуктов сгорания в этом процессе уменьшаются.

Процесс Ь-1 - процесс выталкивания продуктов сгорания из цилиндра в окружающую атмосферу, поршень при этом движется от НМТ до ВМТ, выпускной клапан IV открывается, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра.

Далее цикл повторяется - процесс 1-а - процесс всасывания горючей смеси и т.д. Из рассмотрения индикаторной диаграммы реального поршневого двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием видно, что реальный цикл такого двигателя является фактически незамкнутым, рабочее тело по окончании цикла выбрасывается в окружающую атмосферу.

Термодинамический анализ такого реального цикла весьма затруднен, поэтому на практике для анализа работы двигателя используют идеальные обратимые замкнутые термодинамические циклы, рабочим телом в которых является идеальный газ, причем будем полагать, что подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешних источников тепла, а не за счет сгорания топлива.

Идеальным циклом двигателя с внешним смесеобразованием является изохорный цикл неполного расширения, который изображен на рис. 2 в координатах pv и Ts.

Рис. 2

Итак, прямой газовый изохорный цикл неполного расширения - это равновесный газовый цикл, состоящий из двух изохорных и двух адиабатных процессов при условии, что источник тепла по изохоре подогрева не имеет теплового сообщения с холодильником по изохоре охлаждения.

Данный цикл осуществляется следующим образом. 1 кг идеального газа с параметрами (ра, Та, va) сжимается по адиабате а-с, в результате чего давление и температура газа увеличиваются. Далее в изохорном процессе c-z, к газу извне от источника подводится некоторое количество тепла q\, при этом давление и температура газа увеличиваются. Затем газ расширяется по адиабате z-b, давление и температура газа в этом процессе уменьшаются. И, наконец, в изохорном процессе b-а тепло qi отводится в холодильник, давление и температура газа уменьшаются, рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате совокупности этих процессов совершается прямой замкнутый цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в ри-и Ts- координатах определяется площадью aczba. Эта работа и передается потребителю.

Итак, газовый изохорный цикл - это цикл, в котором процессы изменения объемов протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. адиабатно, а процессы теплообмена - без изменения объема.

1.2 Прямой газовый изобарный цикл неполного расширения

Изобарный цикл неполного расширения - это цикл, состоящий из изобарного, двух адиабатных и изохорного процессов при условии, что источник тепла по изобаре не имеет теплового сообщения с холодильником по изохоре. Этот цикл является идеальной схемой циклов компрессорных дизелей.

По-прежнему будем считать, что данный цикл совершается в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом.

На рис. 3 изображен идеальный газовый изобарный цикл неполного расширения в координатах pv и Ts. Данный цикл осуществляется следующим образом. 1 кг идеального газа с начальными параметрами (ра, Та, va) сжимается по адиабате а-с, в результате чего давление и температура газа увеличивается. Затем в изобарном процессе c-z к газу подводится некоторое количество тепла q\ от источника, температура и объем газа при этом увеличиваются. Далее газ расширяется по адиабате z-b, давление и температура газа в этом процессе уменьшаются, причем давление в конце процесса расширения больше, чем давление в начальной точке цикла рь>ра (цикл неполного расширения). И, наконец, в изохорном процессе b-а происходит отвод тепла q2 в холодильник, давление и температура газа при этом уменьшаются, рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате совокупности этих процессов, совершается цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в pv- и Ts-координатах определяется площадью aczba. PI

1.3 Прямой газовый смешанный цикл неполного расширения

Смешанный цикл - это цикл, состоящий из изобарного, двух изохорных и двух адиабатных процессов при условии, что источники тепла по изохоре и изобаре не имеют теплового сообщения с холодильником по изохоре. Этот цикл является идеальной схемой циклов бескомпрессорных дизелей.

Рис. 4

На рис. 4 изображен идеальный газовый смешанный цикл неполного расширения в координатах pv и 7s. Цикл осуществляется следующим образом.

1 кг идеального газа с начальными параметрами (ра, Та, va) сжимается по адиабате а-с, давление и температура газа в этом процессе увеличиваются. Затем к газу подводится тепло, сначала в изохорном процессе (с-у) - q\v, потом в изобарном процессе (y-z) - q\p. Далее газ расширяется по адиабате z-b, давление и температура газа в этом процессе уменьшаются. Давление в конце процесса расширения больше, чем давление в начале процесса сжатия рь>ра (цикл неполного расширения). Затем в изохорном процессе b-а происходит отвод тепла в холодильник, давление и температура газа при этом уменьшаются, рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате совокупности этих процессов совершается цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в pv- и Ts- координатах определяется площадью acyzba. Итак, в рассмотренном цикле тепло подводится по изохоре и по изобаре, поэтому этот цикл называется смешанным.

2. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей

Существенным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания без турбонаддува является их ограниченная мощность и невозможность полного адиабатного расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, т.е. во всех обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания без турбонаддува осуществляются циклы неполного расширения.

Газотурбинные установки (ГТУ) и реактивные двигатели лишены этих недостатков, т.к. устройство и особенности работы обеспечивают им высокие удельные мощности и возможность полного адиабатного расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, т.е. в ГТУ и реактивных двигателях осуществляются термодинамические циклы полного расширения.

Рис. 5

Принципиальная схема газотурбинной установки показана на рис. 5. Воздух из окружающей атмосферы поступает в компрессор 2, который расположен на общем валу с газовой турбиной 1 и топливным насосом 3. В компрессоре воздух адиабатно сжимается, давление его увеличивается и затем сжатый воздух поступает в камеру сгорания 4. Туда же при помощи топливного насоса через форсунку 5 подается топливо. Сгорание топлива (подвод тепла к рабочему телу) в камере сгорания может происходить как при p=const, так и при u=const. Продукты сгорания с высокой температурой поступают в газовую турбину 1, где они адиабатно расширяясь, совершают полезную механическую работу (давление и температура газа при этом уменьшаются). Из турбины отработавшие газы выбрасываются в окружающую атмосферу, где происходит их изобарное охлаждение.

На рис. 6 представлена схема турбореактивного двигателя (ТРД). Воздух из атмосферы поступает в диффузор 1, где происходит предварительное адиабатное сжатие его, давление и температура воздуха увеличиваются, затем воздух поступает в компрессор 2, где происходит дальнейшее адиабатное сжатие воздуха, дальнейший рост давления и температуры. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания 3, куда через специальные форсунки подается топливо из топливных баков. В камере сгорания при постоянном давлении происходит процесс сгорания топлива, температура продуктов сгорания увеличивается. Затем продукты сгорания поступают в газовую турбину 4, где они адиабатно расширяясь, совершают механическую работу, давление и температура газа при этом уменьшаются. Пройдя газовую турбину, продукты сгорания попадают в сопло 5, где происходит их дальнейший адиабатный процесс расширения, и при давлении, равном давлению окружающей среды, продукты сгорания выбрасываются в окружающую атмосферу, где они изобарно охлаждаются.

Рис. 6

2.1 Прямой газовый изобарный цикл полного расширения

Идеальным циклом современных ГТУ с изобарным подводом тепла и ТРД является прямой газовый изобарный цикл полного расширения. Это равновесный цикл, состоящий из двух адиабатных и двух изобарных процессов (рис. 7):

а-с - адиабатное сжатие воздуха в диффузоре и компрессоре;

c-z - изобарный подвод тепла в камере сгорания (процесс сгорания топлива);

z-b - адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине и в выходном сопле;

b-а - изобарное охлаждение выпускных газов в окружающей среде.

Рис. 7 термодинамический цикл газовый двигатель

В результате совокупности этих процессов совершается условно-замкнутый прямой цикл с положительной результирующей работой />0, которая в координатах pv и Ts определяется площадью aczba.

2.2 Прямой газовый изохорный цикл полного расширения

В технике встречаются также газотурбинные установки и реактивные двигатели, в которых подвод тепла осуществляется не при />=const, а при u=const. В этом случае идеальным циклом таких установок является прямой газовый изохорный цикл полного расширения, состоящий из изохорного, двух адиабатных и изобарного процессов (рис. 8):

а-с - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

c-z - изохорный подвод тепла в камере сгорания;

z-b - адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине и в выходном сопле;

b-а - изобарное охлаждение выпускных газов в окружающей среде.

РТ

Рис. 8

Совокупность этих процессов образует прямой цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в координатах pv- и Ts- координатах определяется площадью aczba.

2.3 Термодинамический цикл жидкостного ракетного двигателя

Жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) называется такой двигатель, который создает силу тяги за счет вытекания из его сопла газообразных продуктов сгорания жидкого топлива.

На рис. 9 изображена принципиальная схема ЖРД. Жидкое топливо (горючее и окислитель) при помощи турбонасосного агрегата (ТНА) 1 подается в камеру сгорания 2, где происходит процесс горения при постоянном давлении. Затем продукты сгорания поступают в реактивное сопло 3, в котором происходит адиабатный процесс расширения газов до давления внешней среды, при этом скорость движения газов значительно увеличивается, за счет чего и создается сила тяги. Далее продукты сгорания выбрасываются в окружающую атмосферу и при постоянном давлении (давлении окружающей среды) отдают ей теплоту.

Рис 10

Идеальным циклом ЖРД является прямой газовый изобарный цикл полного расширения (рис. 10):

А-В - процесс сжатия и нагнетания жидких компонентов топливной смеси в камеру сгорания при помощи ТНА. Ввиду пренебрежимо малого объема жидкости по сравнению с объемом газообразных продуктов сгорания и малой сжимаемости жидкости, нагнетание можно считать изохорным процессом, совпадающим с осью координат (осью/»);

В-С - изобарный процесс подвода тепла в камере сгорания;

C-D - адиабатное расширение продуктов сгорания в сопловом аппарате;

D-A - изобарный процесс отвода тепла в окружающей среде.

Совокупность этих процессов образует цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая определяется площадью ABCDA.

3. Обратные газовые циклы тепловых машин-орудий (процессы в компрессорах)

Рассмотренные выше прямые газовые циклы двигателей давали положительную работу, для совершения этих циклов требовалась затрата тепла. В отличие от прямых циклов на осуществление обратных циклов, по схеме которых работают всевозможные насосы, компрессора, холодильные машины, должна расходоваться механическая работа.

3.1 Процессы сжатия в одноступенчатом поршневом компрессоре

Рис. 11

Компрессора предназначаются для сжатия газообразных рабочих тел. На рис. 11 представлена схема одноступенчатого поршневого компрессора и изображение процессов сжатия в этом компрессоре в координатахpVи Ts.

При движении поршня вправо открывается всасывающий клапан, и газ поступает в цилиндр. При обратном ходе поршня всасывающий клапан закрывается, и газ, находящийся в цилиндре, сжимается. Когда давление газа поднимется до заданной величины, открывается нагнетательный клапан, сжатый газ проходит через холодильник, где при постоянном давлении он охлаждается до первоначальной температуры, и поступает в расходный баллон:

А-1 - линия всасывания газа в цилиндр компрессора;

1-2 - процесс сжатия газа;

2-В - линия нагнетания сжатого газа в расходный баллон.

Нельзя говорить о цикле компрессора, потому что в компрессоре осуществляется только один термодинамический процесс - это процесс сжатия (1-2) , давление газа при этом повышается отр\ до/>2-

Во время всасывания и нагнетания количество газа переменно, а его состояние на этих участках рабочего процесса теоретически не изменяется, т.е. ни давление, ни температура, ни удельный объем газа не меняются. Изменяется лишь количество находящегося в цилиндре газа. Поэтому линии всасывания и нагнетания не изображают термодинамического процесса изменения состояния ТРТ.

Список литературы

1. В.И.Кушнырев, В.И.Лебедев, В.А.Павленко, Техническая термодинамика и теплопередача, - М.: Стройиздат, 2006, 457 с.

2. В.В.Кафарров, Основы массопередачи, Гос. Изд-во, -М.: «Высшая школа», 2002, 642 с.

3. С.С.Кутателадзе, Анализ подобия в термофизике. Изд-во «Наука», Сибирское отделение, 2002, 280 с.

4. Теория тепломассообмена //Под редакцией докт. Тех. Наук, проф. А.И.Леонтьева//. М.: «Высшая школа», 2009, 495 с.

5. Е.В.Аметистов, В.А.Григорьев, Б.Т.Емцев и др. Тепло- и массообмен//Теплотехнический справочник//, М.: Энергоиздат.2002, 499 с.

6. Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена //Под редакцией В.И.Крутова и Г.Б.Петражицкого//, М.: «Высшая школа» 2006, 383 с.

Размещено на Allbest.ru