Отличия реальных газов и паров от идеальных. Процессы парообразования. pv-диаграмма водяного пара 5 страница

Классификация термодинамических циклов. Цикл Карно. Принцип действия, классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания. Циклы Оттто, Дизеля. (АЗ: 2, СРС: 1)

Работа теплового двигателя характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (кпд) прямого цикла:

(156)

Термический кпд показывает, какую долю теплоты, подводимой в цикле q₁, можно превратить в полезную механическую работу l_ц. Термический кпд прямого цикла характеризует экономичность теплового двигателя.

Работа холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом:

, (157)

который показывает сколько нужно затратить работы l_ц на перенос тепловой энергии от холодного тела к горячему телу (в окружающую среду).

Работа теплового насоса характеризуется нагревательным (отопительным) коэффициентом

. (158)

Нагревательный коэффициент показывает, сколько необходимо затратить работы на перенос тепловой энергии в обогреваемое помещение (к горячему телу).

Определим выражения для расчета термических коэффициентов тепловых машин, работающих по циклу Карно.

Для теплового двигателя цикл Карно – прямой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм, а для тепловых трансформаторов используется обратный цикл Карно. Тепловые машины, работающие по циклу Карно, имеют наибольшие значения термических кпд по сравнению с любым другим циклом при одинаковых предельных температурах цикла Т₁ и Т₂.

Рассмотрим прямой цикл Карно.

Графически в p-v и T-s координатах этот цикл можно представить в виде:

где ab – адиабатное сжатие ТРТ;

bc – подвод теплоты q₁ в изотермическом процессе при Т₁=const;

cd – адиабатное расширение ТРТ;

da – отвод теплоты в холодильник при Т₂=const;

q₁ = площадь bсFEb – теплота, затраченная на совершение цикла .

q₂ = площадь adFЕa – теплота, отведенная в холодильник .

Тогда термический кпд прямого цикла Карно будет равен:

.

Таким образом, термический кпд цикла Карно зависит только от предельных температур источника и холодильника и не зависит от рода рабочего тела. (Первая теорема Карно). Температура Т₁ и Т₂ являются основными параметрами цикла Карно, которые полностью определяют этот цикл.

При Т₁=Т₂ термический кпд цикла Карно , т.е. превращение теплоты в работу невозможно.

При Т₂=0 или Т₁= , что невыполнимо. Следовательно, в цикле Карно термический кпд цикла всегда меньше единицы: . Таким образом, для прямого цикла Карно .

Любое заключение, вытекающее из анализа прямого цикла Карно, можно рассматривать как формулировку второго закона термодинамики.

Циклы поршневых и реактивных двигателей будем рассматривать как условно замкнутые, идеальные, обратимые циклы., в которых рабочим телом является идеальный газ. При этом принимается, что теплота подводится к рабочему телу извне от внешнего источника и отводится в холодильник, т.е. в окружающую среду в условно замыкающем процессе. В этом случае для расчета процесса сгорания используется понятие теплотворной способности топлива, а энтальпия рабочего тела находится без учета энтальпии образования по формуле:

. (159)

Четырехтактный газовый ДВС создан в 1876 году Н.А. Отто (1832-1891) Цикл Отто совершается в 4-х тактном тепловом двигателе внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторный ДВС) и кривошипно-шатунным механизмом. При этом поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре. Цикл Отто – прямой газовый изохорный цикл неполного расширения представлен в p-v координатах на следующем рисунке.

Этот цикл неполного расширения (Р_b>Р_а) состоит из двух изохорных и двух адиабатных процессов:

где ac – сжатие ТРТ по адиабате;

cz – подвод теплоты q₁ к ТРТ по изохоре;

zb – расширение ТРТ по адиабате;

ba – отвод теплоты q₂ в холодильник от ТРТ по изохоре.

После прохождения этого цикла ТРТ возвращается в начальное состояние. В результате этого цикла совершается положительная результатирующая работа (), равная площадь aczba, которая передается на вал двигателя. В T-s координатах цикла Отто имеет вид:

Основные характеристики (параметры) цикла Отто:

- степень сжатия: , где va – полный объем цилиндра (в начале процесса сжатия), vc – объем камеры сгорания (в конце процесса сжатия);

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты (при горении топливо-воздушной смеси): , где Pz – давление ТРТ в конце подвода теплоты q₁, Pc – давление ТРТ в начале подвода теплоты q₁.Параметрами цикла называются величины, которые полностью определяют цикл. Их число равно числу процессов в цикле без двух. Термический кпд цикла Отто:

, (160)

где и .

После подстановки q₁ и q₂ в выражение для имеем:

. (161)

После подстановки в эту формулу величин: (для адиабаты ac) и учитывая, что (для изохоры c-z) и что , окончательно имеем:

, т.е. . (162)

С ростом степени сжатия увеличивается максимальная температура в системе Т₁ и в соответствии со 2-м законом термодинамики увеличивается термический кпд. С ростом показателя адиабаты к термический кпд увеличивается из-за влияния рода ТРТ, т.е. теплоемкости идеального газа.

Недостатком цикла Отто является невозможность применения высоких степеней сжатия. Обычно применяются степени сжатия в диапазоне: , что определяется температурой воспламенения топлива Т_топ, которую не может превышать температура в конце процесса сжатия Т_с из-за опасности взрывного самовозгорания топлива, т.е. Т_с<Т_топ и . Чем выше октановое число бензина, тем до больших степеней сжатия можно сжать топливо-воздушную смесь (без взрыва).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с внутренним смесеобразованием был создан в 1897 году немецким инженером Р.Дизелем (1858-1913). В двигателях Дизеля распыление жидкого топлива в цилиндре двигателя производится воздухом высокого давления от специального компрессора из форсунки. При этом давление в конце процесса сжатия может составлять порядка рс=32-36 атм ().

Идеальный цикл Дизеля состоит из изобарного, двух адиабатных и изохорного процессов и является прямым газовым изобарным циклом неполного расширения, который изображен в p-v и Т-s координатах на следующих рисунках

где ac – адиабатное сжатие чистого воздуха;

cz – изобарный подвод теплоты q1;

zb – адиабатное расширение ТРТ;

ba – изохорный отвод теплоты q₂ в холодильник.

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия ;

- степень предварительного изобарного расширения в процессе подвода теплоты q₁.

Термический кпд цикла Дизеля:

, (163)

где (адиабата ac);

(изобара c-z) – закон Гей-Люссака;

, - (изохора ba и адиабаты zb и ca).

Окончательно имеем:

. (164)

С ростом степени сжатия термический кпд цикла Дизеля растет, а с увеличением степени предварительного изобарного расширения цикла Дизеля уменьшается из-за роста температуры ТРТ при выхлопе (из-за роста теплоты q₂).

В двигателе Дизеля сжимается чистой воздух и можно применить большие степени сжатия по сравнению со степенью сжатия в двигателе, работающем по циклу Отто.

Классификация реактивных двигателей. Циклы газотурбинных, прямоточных воздушно-реактивных, пульсирующих, жидкостных ракетных двигателей (АЗ: 2, СРС: 1)

Недостатки поршневых двигателей внутреннего сгорания: ограниченная мощность из-за периодичности их действия и невозможность полного адиабатного расширения ТРТ до давления окружающей среды, не позволили их использовать при больших скоростях полета. Поэтому при больших дозвуковых и при сверхзвуковых скоростях полета на летательных аппаратах устанавливаются различные типы реактивных двигателей.

Реактивные двигатели и газотурбинные установки обладают тем преимуществом по сравнению с поршневыми ДВС, что это двигатели непрерывного действия и могут реализовать любые потребные мощности. Кроме того, реактивные двигатели и газотурбинные установки позволяют осуществить более экономичные термодинамические циклы полного расширения ТРТ до давления окружающей среды.

Цикл Брайтона – это прямой газовый изобарный цикл полного расширения, состоящий из двух адиабатных и двух изобарных процессов:

где ac – адиабатное сжатие в диффузоре и компрессоре реактивного двигателя (ТРД);

cz – изобарный подвод теплоты q1 (в камеру сгорания ТРД);

zb – адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине и в реактивном сопле двигателя;

ba – изобарный охлаждение выпускных газов в окружающей среде.

Совокупность этих процессов образует цикл с положительной результирующей работой .

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия , или степень повышения давления в процессе сжатия ;

- степень предварительного изобарного расширения ТРТ . Тогда термический кпд цикла Брайтона будет равен:

, (165)

где (адиабата a-c);

(изобара cz) – закон Гей-Люссака;

, - (изохора ba и адиабаты zb и ac).

Тогда после подстановки этих значений в выражение для термического кпд получим:

. (166)

С ростом степени сжатия (или степени повышения давления П) термический кпд цикла Брайтона возрастает за счет более глубокого расширения газа, т.к. снижается температура Тb и теплота q2, отданная холодильнику. Результирующая работа цикла Брайтона больше работы цикла неполного расширения (цикла Дизеля) на величину при одинаковых степенях сжатия ТРТ и подведенной теплоты q1, что позволяет осуществить более экономичный термодинамический цикл полного расширения.

Цикл Гемфри – это прямой газовый изохорный цикл полного расширения. Этот цикл был реализован в пульсирующем прямоточном воздушно-реактивном двигателе, установленном на немецкой крылатой ракете Фау-1. В p-v и T-s координатах этот цикл представлен на следующих рисунках:

где ac –сжатие воздуха по адиабате в диффузоре или компрессоре; cz –подвод теплоты q1 по изохоре; zb – адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине или в реактивном сопле; ba – изобарное охлаждение выхлопных газов в окружающей среде.

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия , или степень повышения давления в процессе сжатия П=рс/ра;

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты q₁ по изохоре .

Термический кпд цикла Гемфри равен:

, (167)

где (адиабата ac);

(закон Шарля) –изохора c-z;

, - (изобара ba и адиабаты zb и ac).

После подстановки этих значений в выражение для получим:

. (168)

Таким образом, термический кпд цикла Гемфри является прямой функцией степени сжатия (или П) и степени повышения давления в процессе подвода теплоты q₁ по изохоре .

ЖРД – это ракетный двигатель, работающий на жидком ракетном топливе. ЖРД был предложен К.Э. Циолковским (1857-1935) как двигатель для полетов в Космосе в 1903 году. Практические работы по созданию ЖРД были начаты в США в 1921 году Р. Годдардом (1882-1945) и в 1926 г. был произведен запуск ракеты с ЖРД. В 1931 г. испытаны первые в СССР ЖРД ОРМ и ОРМ-1 в газодинамической лаборатории (в дальнейшем РНИИ,
НИИ-1, НИИТП) под руководством В.П. Глушко.

Идеальный цикл ЖРД – прямой газовый изобарный цикл полного расширения:

где 1-2 – изохорный процесс сжатия и нагнетания жидких компонентов топлива в камеру сгорания при помощи турбонасосного агрегата (ТНА). Принимается, что объем жидкости , где v_Г – объем газообразных компонентов, т.е. пренебрегается удельным объемом vж по сравнению с удельным объемом v_Г, и что энтальпия h₁=h₂=0, т.к. жидким компонентам топлива теплота не сообщается;

2-3 – изобарный процесс подвода теплоты q₁;

3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в сопле Лаваля;

4-1 – изобарный процесс отвода теплоты q₂ в окружающую среду.

Эти процессы образуют цикл с положительной результирующей работой ().

Термический кпд цикла ЖРД будет равен:

, (169)

т.к. h₁=h₂=0. В методе круговых процессов, используемого для анализа цикла ЖРД, при расчете энтальпий теплота образования вещества не учитывается. Поэтому энтальпии и .

Тогда , (170)

где - степень повышения давления. Тогда

. (171)

Таким образом, термический кпд цикла ЖРД растет с ростом давления рабочего тела в камере сгорания двигателя (р₃=р₂).

Представим термический кпд цикла ЖРД в виде:

. (172)

Тогда можно сделать вывод, что при заданной теплоте источника термический кпд цикла ЖРД тем больше, чем больше степень расширения газа в сопле, т.е. чем больше разность энтальпий (h₃-h₄), а результирующая работа цикла (располагаемая работа) целиком идет на создание кинетической энергии струи, вытекающих из сопла продуктов сгорания.

Принцип действия и устройство паросиловых установок. Паровой цикл Карно. Цикл Ренкина. Цикл с промежуточным перегревом пара. Регенеративные циклы. (АЗ: 2, СРС: 1)

Цикл Карно в паросиловой установке

Цикл Карно для насыщенного пара обладает наибольшим термическим кпд и большой результирующей работой (l_цк), который равен:

. (173)

Изобразим цикл Карно для насыщенного влажного пара в «p-v» «T-s» координатах:

где ab – адиабатное сжатие в компрессоре; bc –подвод теплоты q₁ при Т₁=const и р₁=const; cd – адиабатное расширение пара на турбине; da –конденсация пара при Т₂=const и р₂=const (отвод теплоты q₂).

Недостатками цикла Карно для влажного пара являются следующие недостатки:

В т. d влажный пар имеет большое содержание воды, что приводит к износу лопаток турбины.

Конденсация пара осуществляется не полностью и в т. a влажный пар содержит большое количество сухого насыщенного пара, что требует больших затрат работы на его сжатие в компрессоре и сводит к нулю положительные стороны цикла Карно.

Поэтому практическое применение цикла Карно в паросиловых установках нецелесообразно так же, как и в энергодвигательных установках с идеальным газом, когда результирующая работа цикла весьма мала при приемлемых размерах цилиндров.

Цикл Ренкина

По циклу Ренкина работают паросиловые установки теплоэлектростанций, используя в качестве топлива мазут, газ, уголь, торф. Рабочее тело вода. В установках применяются паровые турбины, обладающие большой мощностью при малых размерах. Схема паросиловой установки представлена на следующем рисунке

Паросиловые установки атомных электростанций работают также по приведенной схеме, но источником теплоты является ядерный реактор, а не топка.

Цикл Ренкина полного расширения состоит из следующих процессов:

Процесс - нагрев воды от t_в до температуры кипения с последующим испарением и превращением ее в насыщенный пар в котле при давлении р₁=const.

Процесс – получение перегретого пара в пароперегревателе с параметрами t_пер, v_пер при р₁=const.

Процесс cd – адиабатное расширение перегретого пара в паровой турбине и производство полезной работы (давление уменьшается с давления р₁ до давления р₂).

Процесс da – конденсация отработавшего пара в конденсаторе – холодильнике и получение воды с температурой t_в=0⁰С при р₂=const.

Процесс ab – подача воды с температурой tв в котел насосом при v_ж=const. При этом давление растет с р₂ до р₁. Далее цикл повторяется.

Совокупность термодинамических процессов, происходящих в отдельных элементах установки, образуют цикл Ренкина, который в «p=v» координатах имеет вид:

где ab – изохорный процесс подачи воды насосом в котел при v_ж=const и tв=0⁰С; bc – процесс подвода теплоты q₁ при р₁=const, состоящий из трех процессов;

1-2 – подогрев воды в котле (q);

2-3 – кипение и испарение воды в котле (r);

3-4 – перегрев пара в пароперегревателе (q_пер);

cd – адиабатное расширение перегретого пара в паровой турбине;

da – охлаждение и конденсация пара при р₂=const в конденсаторе – холодильнике и образование воды с температурой tв=0⁰С. при этом отводится теплота q₂.

Изобразим цикл Ренкина в «T-s» и «h-s» координатах:

где h_c – энтальпия свежего пара; h_d – энтальпия отработавшего пара.

Термический кпд цикла Ренкина равен:

, (174)

где h_a=h_b =0 при t_b=t_a=0⁰C. Тогда имеем:

. (175)

Термический кпд цикла Ренкина зависит от энтальпий свежего пара h_c и отработавшего пара h_d.

Результирующая работа цикла Ренкина при h_b=h_a равна: , и теплота . Тогда имеем:

. (176)

Термический кпд цикла Ренкина зависит от начального (р₁) и конечного (р₂) давлений пара и температуры перегрева: . Снижение давления пара в конденсаторе (р₂) и увеличение давления пара в котле (р₁) приводят к росту термического кпд .

Увеличение температуры перегрева (t_пер) улучшает эксплуатационные качества пара, так как снижается возможность его конденсации в процессе расширения на турбине и износ лопаток турбины. Обычно =30-40%. При оценке термического кпд цикла Ренкина надо учитывать затраты работы на сжатие воды насосом, подаваемой в паровой котел.

Регенеративные циклы не являются циклами Карно, но термические коэффициенты этих циклов идентичны термическим коэффициентам цикла Карно. В T-s координатах такие циклы состоят из двух изотерм и двух эквидистантных кривых. Так, для теплового двигателя, работающего по регенеративному циклу, имеем следующее изображение цикла в Т-s координатах:

В процесс cd теплота отбирается от ТРТ и отдается рабочему телу в процессе ab . Тогда получим выражение для расчета :

. (177)

Классификация холодильных машин. Цикл воздушной холодильной машины. Цикл пароинжекторной холодильной установки. (АЗ: 2, СРС: 2)

По назначению все холодильные установки подразделяют на четыре основных группы:

1. Рефрижераторные

2. Ожижительные

3. Комбинированные

4. Газоразделительные

Рефрижераторные установки предназначены для охлаждения и термостатирования. Каждая область применения имеет свои требования в отношении температуры, холодопроизводительности, массы, габаритов, энергозатрат, времени пуска, надежности и др.

Ожижительные установки используют для перевода веществ в жидкое состояние, а иногда и в твердую фазу.

Комбинированные установки позволяют одновременно (или последовательно) ожижать газ и производить термостатирование в рефрижераторном режиме.

Газоразделительные установки предназначены для разделения газовых смесей на компоненты. В процессе разделения, как правило, газовую смесь охлаждают до температуры конденсации.

По способу получения холода циклы криогенных установок подразделяют на группы:

Циклы на основе термомеханической системы, где используют термодинамические процессы охлаждения – дросселирования, расширение в детандере, выхлоп из постоянного объема, изотермическое расширение с подводом теплоты, испарение жидкого криоагента.

Циклы с использованием рабочей среды в твердом состоянии, как то – адиабатное размагничивание и термоэлектрическое охлаждение.

Циклы на основе изотопов гелия.

Холодильная установка работающая по обратному циклу Карно. Для его осуществления необходимо затратить работу (-l_ц).

Тогда холодильный коэффициент обратного цикла Карно будет равен:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: