Циклы тепловых двигателей и установок

7.2. Циклы тепловых двигателей и установок 7.2.1. Исходные положения Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (ГТУ) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате — паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу — в паровой турбине. Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом. Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения — жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа. С точки зрения термодинамики тепловые двигатели представляют собой совокупность систем (рабочего тела, источника теплоты и охладителя), взаимодействующих между собой. Особенности этих взаимодействий определяют в каждом конкретном случае отличительные термодинамические характеристики тепловых машин. В реальных тепловых двигателях источником теплоты служат продукты сгорания топлива, либо теплота, выделяемая в атомном реакторе, а охладителем — окружающая среда. Рабочее тело находится в термодинамическом равновесии соответственно с источником теплоты и охладителем. Переход рабочего тела от температуры источника теплоты к температуре охладителя (и наоборот) осуществляется по адиабате. При анализе термодинамических циклов тепловых машин допускают, что: ─ химический состав и количество рабочего тела не меняются: ─ процесс сгорания топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты; ─ выпуск продуктов сгорания или отработавшего пара заменяется обратимым процессом отвода теплоты в охладитель; ─ процессы расширения и сжатия рабочего тела являются адиабатными; ─ теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры. 7.2.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания Двигатель внутреннего сгорания — наиболее распространенный тепловой двигатель в мире. Он занимает лидирующее положение в автомобильном, железнодорожном и водном транспорте, в дорожных машинах и т. п. Исключительна роль двигателей внутреннего сгорания в энергетике сельского хозяйства — неотъемлемый элемент тракторов, комбайнов, автотранспорта, резервных дизельных электростанций и многих других агрегатов, используемых в сельскохозяйственном производстве. Термодинамические циклы. В зависимости от способа подвода теплоты различают три термодинамических цикла двигателей внутреннего сгорания: цикл с подводом теплоты при ; цикл с подводом теплоты при ; цикл со смешанным подводом теплоты при и . Первый цикл характерен для двигателей с внешним смесеобразованием (бензиновые, газовые). Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) характерен для дизелей, т. е. двигателей с внутренним смесеобразованием. Цикл с подводом теплоты при (цикл Дизеля) представляет собой термодинамический круговой процесс, протекающий в компрессорном дизеле, в котором распыл топлива в цилиндре осуществляется сжатым воздухом. Эти двигатели в настоящее время не находят применения, и поэтому мы будем рассматривать только первую и третью группы циклов. Цикл со смешанным подводом теплоты Изображен в - и -координатах на рисунке 7.5. Рис. 7.5. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты в - и -координатах Кривая 1—2 соответствует процессу адиабатного сжатия рабочего тела. Подвод теплоты (в реальном двигателе сжигание топлива) сначала происходит по линии 2—3 при , а затем по линии 3—4 при . При этом подводится теплота . Кривая 4—5 соответствует процессу адиабатного расширения рабочего тела, а участок 5—1 характеризует изохорный процесс отвода теплоты в охладитель. Введем безразмерные параметры, характеризующие цикл:  степень сжатия;  степень предварительного расширения;  степень изохорного повышения давления. Определим термический КПД цикла. Очевидно, что (7.7) отсюда (7.8) Для адиабатного процесса 12 в соответствии с уравнением можно записать , откуда . Для изохорного процесса 23 с учетом выражения , получим . Для изобарного процесса 34 при Для адиабатного процесса 45 Учитывая, что , можно записать откуда Подставляя полученные значения в выражение (7.7) и учитывая, что , будем иметь Таким образом, термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты запишется так (7.9) Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и с уменьшением степени предварительного расширения . Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 7.6). По кривой 1—2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела (в данном случае горючей смеси). Изохора 2—3 соответствует процессу подвода теплоты от источника теплоты (в реальном двигателе зажигание смеси и сгорание топлива). Затем следует процесс адиабатного расширения 3—4. В изохорном процессе 4—1 от рабочего тела в окружающую среду отводится теплота . Рис. 7.6. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при в - и -координатах Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания можно получить, если в формуле (7.7) принять (7.10) Термический КПД различных циклов двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах 0,45…0,60. Степень сжатия двигателей с внутренним смесеобразованием выше , чем у двигателей с внешним смесеобразованием , и поэтому первые двигатели имеют более высокие значения термического КПД и их экономичность выше, чем у двигателей с внешним смесеобразованием. Сравним циклы при одинаковых конечных температурах, которые определяют допустимые термические напряжения в деталях двигателя. Как видно из рисунка 7.7, цикл со смешанным подводом теплоты имеет при тех же значениях более высокий термический КПД, чем цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Рисунок 7.7. Сравнение циклов двигателя внутреннего сгорания 7.3. Циклы паросиловых установок В современной стационарной теплоэнергетике в основном используются паровые теплосиловые установки. На долю паротурбинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объясняется доступностью и дешевизной воды. На рисунке 7.8 приведена схема паросиловой установки. Рисунок 7.8. Принципиальная схема паросиловой установки Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами поступает в паровую турбину. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе в электрическую энергию. После турбины пар с давлением р2 и энтальпией h2 поступает в конденсатор , представляющий собой теплообменник, в трубках которого циркулирует вода, охлаждающая пар. В конденсатор отводится теплота в количестве , в результате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок — фазовое превращение рабочего тела в цикле, Рассмотрим описанный замкнутый процесс в -, - и координатах (рисунок 7.9). Точка 4 соответствует состоянию рабочего тела перед паровым котлом. В котле происходят: нагрев жидкости (4— 5), парообразование (5—6) и перегрев пара (6—1). Теплота , подведенная к 1 кг рабочего тела в изобарном процессе, равна разности энтальпий в конечной и начальной точках процесса . В паровой турбине осуществляется адиабатный процесс расширения (1—2). В результате перегретый пар превращается в сухой насыщенный пар, а затем во влажный с параметрами точки 2. Конденсация пара происходит при постоянном давлении (процесс 2—3). Изобары в области влажного пара являются одновременно и изотермами, т. е. на участке 2—3 давление р2 и температура Т2 остаются неизменными. При этом от рабочего тела отводится в окружающую среду количество теплоты . Рисунок 7.9. Цикл Ренкина: а  в -координатах; б  в - координатах; в  в - координатах Процесс 3—4 подачи конденсата в котел насосом изображается изохорой, так как вода практически несжимаема. Точки 3 и 4 на - и -диаграммах не совпадают, но это отклонение столь мало, что им пренебрегают. Образованный таким образом термодинамический цикл называется циклом Ренкина (по имени шотландского физика, предложившего его в середине прошлого столетия). Термический КПД цикла Ренкина . Как уже говорилось, можно принять, что , т. е. (7.11) где — энтальпия конденсата в точке 3. Выражение в числителе равняется работе цикла. Из приведенной формулы следует, что термический КПД цикла Ренкина определяется значениями энтальпий пара до турбины и после нее и энтальпии воды при температуре конденсации пара . Поэтому при определении значения цикла паросиловой установки удобно пользоваться - диаграммой. Для повышения термического КПД паросиловой установки следует расширить пределы рабочего процесса, а именно повысить давление и температуру перегретого пара (т. е. повысить значение ) и понизить давление р2 пара за турбиной. На современных тепловых электростанциях начальное давление (применяется также сверхкритическое давление, равное 24 МПа), температура пара . Давление пара за турбиной р2 = 3...5 кПа. Так как с увеличением давления при постоянном предельном значении температуры повышается влажность пара в конце процесса расширения (на -диаграмме процесс сдвигается влево), то применяют промежуточный перегрев пара. Давление промежуточного перегрева выбирают так, чтобы работа цикла при этом увеличивалась в большей степени, чем расход теплоты (с учетом дополнительного расхода на промежуточный перегрев пара). В паросиловой установке термический КПД повышается при ее работе по регенеративному циклу, что обусловлено приближением цикла к регенеративному циклу Карно. В регенеративном цикле паросиловой установки часть пара отбирается из турбины на участке расширения 1—2 и направляется в теплообменник, где, смешиваясь с конденсатом, повышает его температуру перед котлом. В результате такого мероприятия работа цикла несколько уменьшается, но вследствие снижения расхода теплоты в котле КПД цикла становится выше. Оптимальные значения давления отбора пара из турбины (а следовательно, температуры подогрева конденсата) определяют на основании соответствующих технико-экономических расчетов. Эффективность топлива, сжигаемого в паросиловой установке, можно повысить, если удаляемую теплоту (а она составляет не менее половины количества теплоты, подведенной от источника с более высокой температурой) исполь­зовать для отопления и горячего водоснабжения или для различных технологических процессов. В конденсационных электростанциях, предназначенных для выработки только электрической энергии, охлаждающая вода после конденсатора имеет температуру 20...35 °С, и использовать теплоту этой воды (ввиду низкой температуры она называется низкопотенциальной теплотой) практически сложно. Для нужд отопления, горячего водоснабжения и т. п. температура воды должна быть не менее 80…100 СС. Этого можно достигнуть, если повысить давление пара р2, выходящего из турбины. Такие турбины называют турбинами с ухудшенным вакуумом. Если давление р2 выше атмосферного, то турбины называют турбинами с противодавлением. Обычно давление пара за турбиной 0,10... 0,15 МПа, в то время как на станциях без отпуска теплоты потребителям р2 =3... 5 кПа. Станция, одновременно вырабатывающая электрическую энергию и теплоту для внешнего теплоснабжения, называется теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Схема такой станции изображена на рисунке 7. 10. Диаграмма теплофикационного цикла в -координатах показана на рисунке 7.11. Рисунок 7.10. Схема установки для совместной выработки электрической энергии и теплоты без регулируемого отбора пара из турбины: ПК  паровой котел; Т  паровая турбина; К  конденсатор; Н  насос; ТП  тепловой потребитель Рисунок 7.11. Диаграмма теплофикационного цикла в -координатах На принципиальной схеме (рис. 7.10) цифры соответствует наиболее характерным точкам на диаграмме (см. рис. 7.11). Количество теплоты, которое можно использовать для отопления технологических процессов различных производств и т. д., определяют площадью 2— 4—8—7—2. Уменьшение полезной работы вследствие повышения давления за тепловой машиной равно площади 2—2'—4'—4—2, Поэтому термический КПД такого цикла ниже, чем у конденсационной установки, но общее использование теплоты значительно больше. Характеристикой теплосиловых установок, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию (ТЭЦ), служит коэффициент использования теплоты , (7.12) где — работа цикла, используемая до получения электрической энергии; — теплота, отпускаемая потребителю; —подвод теплоты от источника. Теоретически может иметь значение, равное единице, а в реальных условиях коэффициент использования теплоты достигает величины 0,6... 0,8. Существенный недостаток тепловых станций, работающих по схеме, изображенной на рисунке 7.10, заключается в том, что электрическая мощность и тепловая мощность (количество отпускаемой теплоты за единицу времени) не являются независимыми друг от друга. В то же время графики тепловой и электрической энергии могут не совпадать во времени. Более рациональны в этом отношении ТЭЦ, на которых применяют конденсационные турбины с промежуточными регулируемыми отборами пара при давлениях, необходимых для потребителей теплоты. Отбор называется регулируемым, поскольку система регулирования обеспечивает независимость параметров отбираемого пара от расхода пара через турбину. Одна из таких схем показана на рисунке 7.12 Рисунок 7.12. Схема установки с турбиной с регулируемым отбором пара Часть пара при давлении отбирается из промежуточных ступеней турбины и направляется потребителям. Остальная часть пара () поступает в конденсатор. Теплота и электрическая энергия у турбин с регулируемым отбором пара, отпускаемые потребителю, могут изменяться независимо друг от друга. При необходимости предусматривается два или три регулируемых отбора с разными параметрами пара. При этом, как правило, для технологических потребностей, отбирается пар при более высоком давлении, а для систем отопления и горячего водоснабжения — при более низком. Кроме регулируемых отборов, осуществляются также нерегулируемые отборы пара, предназначенные для регенеративного подогрева воды после конденсатора. 7.4. Принцип действия и схемы газотурбинных установок 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. В газотурбинной установке (рис. 7.13), как и в ДВС рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением рабочего колеса турбины под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы. Как видно из схемы, воздух окружающей среды засасывается нагнетателем 2 через подогреватель воздуха 8. В нагнетателе воздух сжимается адиабатно до требуемого давления и подаётся в камеру сгорания 5. В неё же топливным насосом 6 из топливного бака 7 подаётся топливо. В камере сгорания в результате воспламенения топлива образуются продукты сгорания, температура которых регулируется количеством подаваемого воздуха. Воздух подаётся с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемую температуру горения топлива. Продукты сгорания поступают в сопла газовой турбины 1, где их потенциальная энергия в процессе адиабатного расширения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины и их кинетическая энергия расходуется на вращение вала установки и передаётся электрическому генератору 3 и нагнетателю 2. Отходящие из турбины газы направляются в подогреватель воздуха 8, где отдают своё тепло воздуху, засасываемому нагнетателем 2. Для пуска установки используют пусковой электродвигатель 4. Рис. 7.13. Схема газотурбинной установки С целью обеспечения работы компрессора и турбины на внешнюю нагрузку в наивыгоднейших режимах с высоким КПД применяют двухвальные схемы турбоустановок. В одних схемах компрессор приводится в движение турбиной высокого давления, находящейся с ним на одном валу, а в других – турбиной низкого давления. Тогда главная турбина, работающая на другом валу на внешнюю нагрузку, в первом случае будет состоять из ступеней низкого давления, а во втором – из ступеней высокого давления. Выбор частоты вращения ротора главной турбины определяется нагрузкой, частота же вращения компрессорного агрегата может изменяться в широких пределах, обеспечивая изменение расхода воздуха в соответствии с потребностью. 7.5. Циклы ГТУ с изобарным и изохорным подводом теплоты В качестве простейших циклов газотурбинных установок (ГТУ) приняты: цикл с изобарным подводом теплоты и цикл с изохорным подводом теплоты. Эти циклы отличаются от соответствующих циклов ДВС процессом отвода теплоты — изохорный процесс отвода заменен изобарным. Современные ГТУ в основном работают с изобарным подводом теплоты. Теоретический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты (рис. 7.14) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изобарного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении цикл завершается. Рис. 7.14. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора. Цикл газовой турбины с изобарным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления в цикле . Можно показать, что . То есть термический КПД цикла ГТУ с подводом тепла при увеличивается с увеличением степени повышения давления. Теоретический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты (рис. 7.15) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изохорного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении цикл завершается. Рис. 7.15. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты Цикл газовой турбины с изохорным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления при сжатии и степенью повышения давления при подводе теплоты . Можно показать, что . Исследование последнего выражения показывает, что термический КПД ГТУ с изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением b и l. Цикл ГТУ с подводом теплоты при не получил широкого распространения из-за сложности конструкции камеры сгорания и ухудшения условий работы турбины в пульсирующем потоке продуктов сгорания.