Циклы ДВС

    Рассмотрим  идеальный термодинамический цикл  двигателя с изохорным подводом  количества теплоты, состоящий  из двух изохор и двух адиабат.

    На рис.2 и 3 представлен  цикл в  - и s-диаграммах, который осуществляется следующим образом.

    Идеальный  газ с начальными параметрами  и сжимается по адиабате 1-2 до точки 2. По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты q . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. Наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом отводится количество теплоты q в теплоприемник. Характеристиками цикла являются степень сжатия = и степень повышения давления = .

    Термодинамический КПД  цикла с подводом количества  теплоты при постоянном объеме 

                                   

 

    Наглядно можно  проиллюстрировать зависимость  КПД от увеличения  на s-диаграммах.(рис.3)

     В двигателях внутреннего сгорания с подводом количества теплоты при постоянном объеме нельзя применять высокие степени сжатия. В связи с этим рассматриваемые двигатели имеют относительно низкие КПД.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЦИКЛ С ПОДВОДОМ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ p=const

 

    Изучение циклов  с подводом количества теплоты  при постоянном объеме показало, что для повышения экономичности двигателя, работающего по этому циклу, необходимо применять высокие степени сжатия. Но это увеличение ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси. Если же производить раздельное сжатие воздуха и топлива, то это ограничение отпадает. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких специальных запальных приспособлений. И наконец, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо – нефть, мазут, смолы, каменноугольное масла и пр.

    Такими высокими  достоинствами обладают двигатели,  работающие с постепенным сгоранием  топлива при постоянном давлении. В них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляет сжатым воздухом от компрессора. Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до ) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующей регулировкой топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, впервые разработавшего конструкцию подобного двигателя.

    Рассмотрим  идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т.е. цикл с подводом количества теплоты при постоянном давлении. На рис.4 и 5 изображен этот цикл в - и s-диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами   сжатием по адиабате 1-2, затем телу по изобаре 2-3 сообщается некоторое количество теплоты q . От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4. И наконец, по изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, при этом в теплоприемник отводится теплота q .

    Характеристиками  цикла являются степень сжатия  и степень предварительного расширения .

    Термический КПД цикла:

 

 

 

 

ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ  УСТАНОВОК И РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

    Основным недостатком  поршневых двигателей внутреннего  сгорания являются ограниченность  их мощности и невозможность  адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления. Эти недостатки отсутствуют в газотурбинных установках, где рабочим телом являются продукты сгорания жидкого и газообразного топлива. Рабочее тело, имеющее высокие температуры и давление, из камеры сгорания, направляются в сопло, в котором оно расширяется и с большой скоростью поступает на лопатки газовой турбины, где используется его кинетическая энергия для получения механической работы.

    Газотурбинные установки (ГТУ) обладают многими важными преимуществами перед поршневыми двигателями. Газовые турбины имеют относительно малую массу и небольшие габариты, в них нет деталей с возвратно-поступательным движением, они могут выполняться с большими единичными мощностями.

 

 

 

ЦИКЛ ГТУ  С ПОДВОДОМ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ В  ПРОЦЕССЕ p=const

 

    На рис.6 дана  схема простейшей ГТУ со сгоранием  топлива при p=const. В камеру сгорания 1 через форсунки 6 и 7 непрерывно поступает воздух из турбокомпрессора 4 и топливо из топливного насоса 5. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, в которых рабочее тело расширяется до давления, близкого к атмосферному. Из сопл продукты сгорания поступают на лопатки газовой турбины 3, а затем выбрасываются в атмосферу через выхлопной патрубок.

    На рис.7 и 8 представлен  идеальный цикл газотурбинной установки на - и s-диаграммах с подводом теплоты при p=const. В этом цикле отвод теплоты от рабочего тела производится не по изохоре, как это имеет место в двигателях внутреннего сгорания, а по изобаре. В поршневых двигателях объем газов  при расширении ограничен объемом цилиндра. В газовых турбинах такого ограничения нет, и газы могут расширяться до атмосферного давления.

    Рабочее тело 1-2 до точки 2. От точки 2 к рабочему телу подводится некоторое удельное количество теплоты q по изобаре 2-3. Затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления и возвращается по изобаре 4-1 в первоначальное состояние, при этом отводится удельное количество теплоты q .

    Характеристиками цикла  являются степень повышения давления  в компрессоре  и степень изобарного расширения

    Форма термического  КПД:

                                          

    Термический  КПД  ГТУ с подводом теплоты  при постоянном давлении зависит  от степени повышения давления  и показателя адиабаты , возрастая с увеличением этих величин.

 

ЦИКЛ ГТУ  С ПОДВОДОМ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ В ПРОЦЕССЕ

const.

 

    На рис.9 дана схема ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. В этой установке сжатый в турбокомпрессоре 6 воздух поступает из ресивера (сосуда большой вместимости для выравнивания давления) 7 через воздушный клапан 8 в камеру сгорания 1.Сюда же топливным насосом 5 через топливный клапан 9 подается жидкое топливо. Продукты сгорания, пройдя через сопловой клапан 2, расширяются в сопле 3 и приводят во вращение ротор газовой турбины 4.

    Для осуществления периодического процесса горения необходимо подавать воздух и топливо через управляемые клапаны 8 и 9 в определенные периоды времени. Воспламенение топлива происходит от электрической искры. После сгорания топлива давление в камере 1 повышается, открывается сопловой клапан 2 и продукты горения направляются в сопло 3, где и расширяются до конечного давления.

    На рис.10 и  11 на - и s-диаграммах изображен идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при const. Рабочее тело с начальными параметрами сжимается по адиабате 1-2 до точки 2, давление в которой определяется степенью повышения давления. Далее по изохоре 2-3 к рабочему телу подводится некоторое удельное количество теплоты  q , затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4 до начального давления (точка 4) и возвращается в первоначальное состояние по изобаре 4-1, при этом отводится удельное количество теплоты q .

    Характеристиками  цикла являются степень повышения  давления в компрессоре  и степень добавочного повышения давления .

    Удельное количество  подводимой теплоты определяется  по формуле 

                                 q ,

а удельное количество отводимой  теплоты – по формуле

                                  q .                

                          

    Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при const зависит от и и увеличивается с возрастанием этих величин.

 

 

СРАВНЕНИЕ ЦИКЛОВ ГТУ

 

    На рис.12 представлены  циклы ГТУ при одинаковых степенях повышения давления и одинаковых максимальных температурах. Из рисунка видно, что цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты имеет больший КПД. Действительно, из рис.12 видно, что в цикле с подводом теплоты при const среднеинтегральная температура подвода теплоты выше, а среднеинтегральная температура отвода теплоты ниже, чем в цикле с подводом теплоты при p=const:

                                                     .

    Сравнение  циклов ГТУ при разных степенях  повышения давлений и одинаковых  максимальных температурах подтверждает  вывод, полученный при исследовании работы поршневых двигателей, что цикл с подводом теплоты при p=const имеет больший КПД, чем цикл с подводом теплоты при const. Т.е. КПД, определяемый по интегральным температурам, дает большее значение для цикла ГТУ с подводом теплоты при p=const(рис.13):

                                                   

 

 

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ  КПД ГТУ

 

    Термический  КПД ГТУ со сгоранием топлива  при p=const растет с увеличением степени повышения давлений . Однако с ростом увеличивается и температура газов в конце сгорания топлива в результате чего быстро разрушаются лопатки турбин и сопловые аппараты, охлаждение которых затруднительно.

    Чтобы увеличить  КПД ГТУ, частично изменили  условия их работы. В установках  стали применять регенерацию теплоты, многоступенчатое сжатие воздуха в компрессоре, многоступенчатое сгорание и т.д. Это дало значительный эффект и повысило в установках степень совершенство превращения теплоты в работу.

    Рассмотрим  несколько подробнее применение  регенерации теплоты в ГТУ со сгоранием топлива при p=const (рис.14). Сжатый воздух из турбокомпрессора 4 направляется в регенератор 8, где получает теплоту при постоянном давлении от газов, вышедших из камеры сгорания 1 через сопло 2 в турбину 3. Подогретый воздух из регенератора 8 через форсунку 7, а топливо из топливного насоса 5 через форсунку 6 направляется в камеру сгорания 1.

   Идеальный цикл  такой ГТУ с регенерацией теплоты  показан на рис.15 и 16.

   На этих рисунках: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-5 –изобарный подвод теплоты в регенераторе; 5-3 – подвод теплоты при постоянном давлении в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в соплах турбины; 4-6 – изобарный отвод теплоты от газов в регенераторе; 6-1 – изобарный отвод теплоты от газов по выходе из генератора теплоприемнику.

 

                      .

Термический КПД цикла  с подводом теплоты при p=const и полной регенерацией зависит от начальной температуры газа .

    Степень регенерации зависит от конструкции теплообменника или от величины рабочих поверхностей.

    Регенерация  теплоты ступенчатое сжатие, ступенчатый  подвод теплоты – повышают  КПД ГТУ, а идеальный цикл  при этом приближается к обобщенному  (регенератору) циклу Карно.