Шпаргалка по теплотехнике

(цикл Дизеля)

Идеальный цикл с подводом тепла при постоянном давлении можно считать результатом идеализации рабочего процесса так называемого компрессорного дизеля - одного из ДВС, работающих на тяжелом топливе (газойль, солярное масло, мазут). Характерными для двигателей с изобарным сгоранием топлива являются  раздельный ввод в цилиндр воздуха и топлива и сжатие в цилиндре не горючей смеси,  а только воздуха, что позволяет работать с большими степенями сжатия. Она может быть повышена до e = 16¸20, при этом давление в конце сжатия достигает 30 ¸40 бар, а температура - 600 ¸ 800 °С, что значительно, как это и необходимо (для уменьшения периода задержки воспламеняется) превышает температуру самовоспламенения тяжелого топлива, подающегося к этому времени (т.е. к концу процесса сжатия) в цилиндр двигателя.

К настоящему времени  подача и сгорание тяжелого топлива  могут быть организованы различным образом. Например, в быстроходных авиационных дизелях сгорание может протекать с такой большой скоростью, что его вновь можно моделировать изохрой. При этом давление в цилиндре возрастает до 100 - 110 бар. процесс сгорания пневматически распыливаемого топлива строился  таким образом, что его можно было моделировать изобарой. Идеализация рабочего процесса компрессорного дизеля строится в тех же допущениях, что и в случае ДВС легкого топлива, и приводит к циклу, который  называют идеальным циклом с подводом тепла при постоянном давлении. Этот цикл состоит  из адиабаты сжатия 1-2, изобары 2-3 с подводом соответствующего количества тепла q₁, адиабаты расширения 3-4 и условной изохоры 4-1, вдоль которой от рабочего тела отводится независимо определенное количество тепла q₂.

 

 

Цикл Дизеля в u-P диаграмме в S-T диаграмме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 4 Цикл со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера)

наивыгоднейшего с термодинамической точки зрения процесса сгорания при постоянном объеме, т.е. сочетать циклы с подводом тепла при V = const и при P = const.

Все современные  двигатели с самовоспламенением работают по смешанному циклу. В одних из этих двигателей распыливание топлива происходит в специальной камере (так называемой предкамере), которая находится в верхней части цилиндра двигателя и соединена с рабочим объемом цилиндра одним или несколькими узкими каналами. Сжатие воздуха осуществляется так же как и в компрессорных двигателях, до высоких степеней сжатия, обеспечивающих самовоспламенение топлива.

Во время сжатия воздуха давление Р₁ в цилиндре возрастает быстрее, чем давление Р₂ в предкамере, соединенной с цилиндром узким каналом. За счет  разности давлений возникает поток воздуха из цилиндра в предкамеру, который используется для распыления впрыскиваемого в предкамеру жидкого топлива.

С момента первой вспышки в предкамере устанавливается  давление, большее, чем  в цилиндре двигателя. Процесс горения части топлива в предкамере изображается на u - Р диаграмме изохорным процессом 2-3 с подводом тепла.

Схема дизельного двигателя с предкамерой

Вследствие быстрого возрастания давления в предкамере направление потока меняется и смесь горячих продуктов сгорания, воздуха и несгоревших в предкамере паров топлива, имеющая температуру 1500 - 1800 °С, устремляется из предкамеры в цилиндр. Это истечение происходит с большой скоростью и сопровождается сильным вихреобразованием, что  обеспечивает  хорошее перемешивание топлива с воздухом. Процесс сгорания топлива в самом цилиндре теоретически изображается изобарой 3-4 с подводом тепла. По прекращении сгорания происходит адиабатное расширение продуктов сгорания (процесс 4-5) и выход отработавших газов в атмосферу (процесс 5-1).

Таким образом, теоретический цикл двигателя со смешанным подводом тепла имеет форму  и состоит из следующих процессов:

1-2 - адиабатное  сжатие рабочего тела;

2-3 -  изохорный  подвод тепла;

3-4 - изобарный  подвод тепла;

4-5 - адиабатное  расширение рабочего тела;

5-1 - изохорный  отвод тепла.

 

 

 

5 Сравнение идеальных циклов  поршневых двигателей внутреннего сгорания по эффективности

При анализе  циклов двигателей внутреннего сгорания наибольший интерес представляет сравнение  между собой циклов с изохорным  и изобарным подводом тепла. При сравнении циклов необходимо одновременно с выбором температурных границ принять дополнительные условия, например, равенство степеней сжатия либо равенство  максимальных давлений.А) Случай одинаковых степеней сжатия: e = idem ( )в S-T диаграмме в одинаковых границах температур Т_max и T_min. Полагая e = idem, сравним идеальный цикл 12341 с подводом тепла при постоянном объеме и идеальный цикл 123¢4¢1 с подводом тепла при постоянном давлении (изохора 2-3 пролегает круче изобары 2-3¢).

Процессы 2-3 и 2-3¢ протекают в одинаковом диапазоне температур. Тогда из уравнения  следует:

 Сравнение  циклов Отто и Дизеля по  эффективности 

при  e = idem в S-Т диаграмме

.

Уравнение  показывает также, что среднепланиметрическая температура отвода количеств тепла будет меньшей для цикла с отводом тепла при V = const.

.

количество тепла  используется с большей эффективностью в цикле с подводом тепла при V = const. Данный результат особенно очевиден из сравнения эквивалентных циклов Карно a¢b¢c¢d¢a¢  и a²b²c²d²a² . Цикл a¢b¢c¢d¢a¢  ближе к соответственному циклу Карно abcda.

В) Случай одинаковых максимальных давлений: P_max  = idem

При сравнении  циклов двигателей внутреннего сгорания с подводом тепла при Р = const и V = const при одинаковых Т_max и T_min  

Сравнение циклов Отто и Дизеля по эффективности

 при Р_max = idem в S-Т диаграмме

 Сравнение  циклов Отто и Дизеля  по эффективности

при Р_max = idem в u-Р диаграмме

 

 

 

            6 Га́зовая турби́на  — это двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу.Горение топлива может происходить как вне турбины, так и в самой турбине. Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, выполненный в виде выравнивающего аппарата (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).

Газовые турбины используются в составе газотурбинных двигателей, стационарныхгазотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ).

Газ под высоким  давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

 

7 Цикл газотурбинной установи  с подводом тепла 

при постоянном давлении с регенерацией тепла

 

Одной из мер  повышения термодинамического КПД ГТУ явл-яется применение регенераци тепла. Регенерация тепла заключается в использовании тепла отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Схема  газотурбинной установки со

Схема ГТУ со сгранием при постоянном давлении

и с регенерацией тепла

сгоранием при  Р =const с регенерацией тепла представлена на       

Отличие газотурбинной  установки с регенерацией тепла  от установки без регенерации  состоит в том, что сжатый воздух поступает из компрессора 1 не сразу  в камеру сгорания 2, а предварительно проходит через воздушный регенератор-теплообменник 3, в котором он подогревается за счет тепла отработавших газов. Соответственно газы, выходящие из турбины, перед выходом их в атмосферу проходят через воздушный регенератор, где они охлаждаются, подогревая сжатый воздух. Таким образом, определенная часть тепла, ранее уносившаяся отработавшими газами в атмосферу, теперь полезно используется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 8 Цикл ГТУ с подводом тепла при Р = const

в u-Р диаграмме

 

 Цикл ГТУ  с подводом тепла при Р = const

в S-Т диаграмме

Идеализированный  цикл рассматриваемой газотурбинной  установки Сжатие рабочего тела в  компрессоре моделируется аиабатой 1-2. Горение топлива в камере сгорания организуется таким образом, что его можно моделировать изобарой 2-3, вдоль которой к остающемуся химически неизменным рабочему телу подводится соответствующее количество тепла q₁. Расширение рабочего тела в газовой турбине моделируется адиабатой 3-4. Изложенное приводит к идеали-зированному рабочему процессу 1234 рассматриваемой ГТУ. Процесс 1234 разомкнут, так как рабочее тело непрерывно обме-нивается. В случае ГТУ этот процесс может быть условно замкнут изобарой вида 4-1, вдоль которой от рабочего тела отводится количество тепла q₂.

В качестве определяющих параметров идеального цикла принимаются степень повышения давления при адиабатном сжатии s= Р₂/Р₁ и степень предварительного расширения r = V₃/V₂.

 

12 Схема котельной установки

Котёл водотрубный — паровой или водогрейный котел, у которого поверхность нагрева (экран) состоит из кипятильных трубок, внутри которых движется теплоноситель. Теплообмен происходит посредством нагрева кипятильных трубок горячими продуктами сгорающего топлива. Различают прямоточные и барабанные водотрубные котлы

Котёл жаротрубный— паровой или водогрейный котёл, у которого поверхность нагрева состоит из трубок небольшого диаметра, внутри которых движутся горячие продукты сгорания топлива.Теплообмен происходит посредством нагрева теплоносителя (как правило, это вода или масло), который находится снаружи трубок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 Паротурбинная установка — это непрерывно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого является вода и водяной пар. Паротурбинная установка является механизмом для преобразования энергии сжатого и нагретого до высокой температуры пара  энергию вращеия ротора турбины. Включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование. Паротурбинные установки используются для привода турбогенератора на тепловых и атомных электростанциях.

На электрической станции механическая энергия превращается в электрическую энергию с помощью электрического генератора.

Принципиальная схема  паротурбинной установки

Свежий пар из котельного агрегата (1), где он получил тепло от сгорания топлива, поступает в турбину (2) и, расширяясь в ней, совершает механическую работу, вращая ротор электрогенератора (3). После выхода из турбины, пар поступает в конденсатор (4), где происходит его конденсация. Конденсат отработавшего в турбине пара при помощи конденсатного насоса (5) проходит через подогреватель (ПНД) (6) в деаэратор (7). Из деаэратора питательный насос (8) подаёт воду через подогреватель высокого давления (ПВД) (9) в котельный агрегат.

Подогреватели (6) и (9) и деаэратор (7) образуют систему регенеративного подогрева питательной воды, которая использует пар из нерегулируемых отборов паровой турбины.

10 Цикл Ренкина

ПВследствие преимуществ полной конденсации влажного пара в паросиловых установках применяется цикл с полной конденсацией, называемый идеальный цикл Ренкина,

 Влажный пар  в конденсаторе полностью конденструется  по изобаре Р₂ =  const. Затем вода сжимается насосом от давления Р₂  до давления Р₁; этот адиабатный процесс изображен в S-T диаграмме вертикальным отрезком 3-5. Длина отрезка 3-5 в S-T диаграмме мала, т.к. при изоэнтропном сжатии воды ее температура возрастает  незна-

Цикл Ренкина в S-Т диаграмме

чительно,  практически  точки 3 и 5 сливаются и процесс  изобарного подогрева воды в котле (Р₁ = const) 5 - 4 сливается с нижней пограничной кривой.  По достижении температуры кипения происходит изобарно-изотермический процесс парообразования (участок 4-1 на рис. 2.33). Сухой насыщенный пар, полученный в котле, поступает в турбину; процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1 - 2. Отработавший влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается.

11 Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках.  
В зависимости от типа реакций, в результате которых выделяется теплота из топлива, различают органическое и ядерное топливо. 
Влажность воздуха. Средняя влажность топлива в рабочем состоянии составляет в %: для торфа 50; сланцев 13-17; каменного угля 5-14 и антрацита 5-8. Бурые угли в зависимости от влажности делят на 3 группы: группа Б1 – более 40% влажности; группа Б2 – 30-40%; группа Б3 – менее 30%. 
Зола топлива. В состав золы входят преимущественно соли щелочных и щелочно-земельных металлов, окислы железа, алюминия, а также сульфатная сера. Минеральные остатки, образующиеся после сгорания топлива, имеют вид либо сыпучей массы (зола), либо сплавленных кусков (шлак). При высоких температурах зола размягчается, а затем плавится прилипают к стенкам обмуровки топки, уменьшая сечение газоходов откладываются на поверхностях нагрева, увеличивая тем самым термическое сопротивление в процессе теплопередачи о газов к нагреваемой среде

Летучие вещества. При нагревании твердого топлива до 870-1100 К без доступа окислителя, выделяются парогазообразные вещества, которые называются летучими. Они являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ входят: азот N₂, кислород О₂, водород Н₂, окись углерода СО, углеводородные газы СH₄, С₂H₄ и т.д, а также водяные пары. 
Кокс. Твердый остаток, который получается после нагревания топлива (без доступа окислителя) и выхода летучих веществ. В состав кокса входят остаточный углерод и зола. При низких температурах в твердом остатке кроме золы может оказаться часть элементов (C, H, S_л, N). Тогда твердый остаток называется полукоксом. По своим механическим свойствам кокс может быть порошкообразным, слабоспекшимся и спекшимся. 
В зависимости от выхода летучих веществ и характеристики кокса каменные угли разделяются на 10 марок: длиннопламенный - Д, газовый - Г, газовый жирный – ГЖ, жирный – Ж, коксовый жирный = КЖ, коксовый - К, коксовый второй – К₂, отощенный спекающийся – ОС, слабоспекающийся – СС, тощий – Т. 
Теплота сгорания. количество теплоты, которое может быть получено при полном сгорании единицы массы или объема топлива. Полным сгоранием называется такое, при котором горючие компоненты топлива С, Н и S полностью окисляются кислородом. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива относят к 1 кг, а газового – к 1 м³ при нормальных условиях. 
Различают низшую и высшую теплоту сгорания.