5. Теплоэнергетические машины и установки

В теплоэнергетике тепловые установки принято делить на три основные группы:

- двигатели внутреннего сгорания (ДВС);

- газотурбинные установки (ГТУ), включая реактивные двигатели;

- паросиловые установки (ПСУ).

  В двигателях внутреннего сгорания процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения её в работу, происходит внутри цилиндра.  В газотурбинных установках и реактивных двигателях  процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса, но возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре заменено на вращательное движение рабочего колеса турбины. В паросиловой установке  сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате  -  паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу – в паровой турбине. Крупные блочные паросиловые установки, снабженные электрогенераторами и работающие на органическом топливе, называются тепловыми электрическими станциями (ТЭС).

В циклах тепловых двигателей первых двух групп (теплосиловых установок) в качестве рабочего тела используются продукты сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном агрегатном состоянии и при относительно высоких температурах их можно считать идеальными газами. Характерной чертой третьей группы является использование таких рабочих тел, которые в рабочем цикле претерпевают  агрегатные изменения (жидкость, насыщенный пар, перегретый пар) и подчиняются законам реального газа [4].

Преобразование теплоты в работу в тепловых двигателях связано с протеканием сложных необратимых процессов, учёт которых делает невозможным теоретический анализ термодинамических циклов. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми типовыми термодинамическими процессами, допускающими применять их для анализа их термодинамические методы. Такие циклы называются теоретическими. Степень совершенства теоретического цикла характеризуется величиной термического коэффициента полезного действия (КПД), который обозначается  и учитывает неизбежную термодинамическую потерю теплоты q₂ :

                                 ,                                            (5.1)

где     l_o – полезная работа цикла;

  q₁ – подводимая теплота.

С термодинамической точки зрения необходимо стремиться к повышению термического КПД цикла, однако в ряде случаев это связано со значительным усложнением и удорожанием установки. Может оказаться, что экономия средств за счёт снижения расхода топлива будет меньше увеличения расходов на сооружение и обслуживание установки. Поэтому решения о целесообразности создания установки с более высоким КПД может быть принято только на основании технико-экономических расчётов.

В идеальном случае двигатель внутреннего сгорания, как и любой тепловой двигатель, должен работать по циклу Карно, имеющему в заданном диапазоне температур самый высокий КПД. Однако, вследствие конструктивных трудностей двигатель внутреннего сгорания, в котором подвод и отвод теплоты происходили бы по изотермам, построить не удалось. Технически более целесообразно подводить теплоту по изохоре или изобаре.

На рис. 5.1 изображена схема устройства четырёхтактного ДВС и диаграмма его рабочего процесса в  координатах. Обычно двигатель состоит из четырёх цилиндров. Цилиндр двигателя 1 снабжён двумя клапанами - впускным 2 и выхлопным 4, расположенными в головке цилиндра и управляемыми газораспределительным механизмом, который на схеме 5.1 не показан. Поршень  5 совершает циклическое возвратно-поступательное движение, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего  из  шатуна  6 и кривошипа 7,  преобразуется во вращательное движение вала 8. Крайние положения поршня, при которых направления его движений изменяются на

противоположные, называются соответственно верхней мёртвой точкой

является технической характеристикой ДВС.

Описание рабочего процесса двигателя начинается с такта всасывания  I, когда поршень 5 движется от ВМТ вниз при открытом впускном клапане 2. Под действием небольшого разряжения (< ) в цилиндр поступает смесь бензина с воздухом, приготовленная в специальном устройстве карбюраторе. В НМТ впускной клапан 2 закрывается и поршень, двигаясь в обратном направлении, совершает такт сжатия II. Вблизи ВМТ свечей 3 подаётся искра и в момент прихода поршня в ВМТ топливовоздушная смесь сгорает. При  сгорании топлива его температура и давление продуктов сгорания резко возрастает и начинается такт рабочего хода III. В ДВС высокого сжатия свеча зажигания отсутствует, и возгорание топлива осуществляется впрыскиванием через форсунку жидкого топлива в среду сильно сжатого и нагретого до 500 ÷ 600°С воздуха. Осуществляемый после возгорания такт расширения III называется рабочим ходом, т.к. в этом такте совершается полезная работа. Вблизи НМТ открывается выпускной клапан 4, давление падает и при движении поршня вверх от НМТ к ВМТ отработанные газы выталкиваются из цилиндра при давлении, несколько больше атмосферного (такт выхлопа IV). Описанная последовательность тактов рабочего процесса ДВС записывается обычно индикатором и называется индикаторной диаграммой. На индикаторной диаграмме записывается изменение объёма цилиндра в зависимости от положения поршня.

 Действительные процессы, протекающие в ДВС являются необратимыми, поэтому индикаторную диаграмму нельзя отождествлять с замкнутым термодинамическим циклом. Для теоретического анализа действительных процессов обычно используются приближённые термодинамические циклы, состоящие из обратимых процессов.  На практике установлено, что эффективность работы  ДВС во многом зависит от способов подвода теплоты, определяемых тремя различными циклами:

  - с подводом теплоты при v = const;

  - с подводом теплоты при p = const;

  -со смешанным подводом.

Сравнительный теоретический анализ этих циклов показывает, что для лучшего использования подводимой теплоты целесообразно осуществлять цикл со смешанным подводом, а именно, изохорный подвод (v = const) осуществлять до момента получения максимально допустимого давления, после чего переходить на изобарный процесс (p = const). По этому циклу работают все современные ДВС на дизельном топливе.

Основными техническими характеристиками двигателя внутреннего сгорания являются рабочий объём цилиндра и мощность. Известно, что действительная мощность двигателя по ряду причин всегда меньше теоретической, поэтому в двигателестроении мощности подразделяются на: индикаторную, эффективную и литровую.

Индикаторная мощность (N_i) – это работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя в единицу времени, т.е.

                              N_i = 2p_iV_hni / 10³;  кВт,                                      (5.2)

где:     p_i – среднее индикаторное давление, Па;

  V_h – рабочий объём цилиндра, м³;

  n - частота вращения коленчатого вала, об/с;

   - тактность двигателя;

  i - число цилиндров.

В уравнении (5.2) рабочий объём цилиндра V_h определятся по формуле (5.3): 

    V_h=,                                                                                             (5.3)

где D – диаметр цилиндра, м;

       S - рабочий ход поршня, м.

Эффективная мощность (N_e) – это мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя для получения полезной работы:

                                         N_e = ; кВт,                                        (5.4)

где   - механический КПД двигателя.

Механический КПД современных двигателей внутреннего сгорания составляет    0,72 ÷ 0,9. Как видно из уравнения (5.2) мощность ДВС зависит не только от размеров цилиндра, но и от создаваемого в нём давления. Для оценки эффективности использования рабочего объёма цилиндра используется понятие литровой мощности.

Литровая мощность двигателя (N_л) – это отношение эффективной мощности к литражу двигателя.

Оценка экономичности действительного рабочего цикла осуществляется с помощью индикаторного КПД.

Индикаторный КПД  определяет степень использования теплоты в действительном цикле с учётом тепловых потерь:

                                        ,                                                    (5.5)

где B – расход топлива, кг/с;

      - низшая теплота сгорания топлива,  ;

Если в уравнении (5.5) вместо индикаторной мощности  подставить эффективную мощность двигателя , то получим выражение для определения эффективного КПД :

                                                 =                                          (5.6)

Анализ эффективности работы различных ДВС позволяет осуществлять обоснованный выбор типов двигателей в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации и, в конечном счёте, минимизировать затраты на транспортные перевозки. Например, замена карбюраторного двигателя на дизельный одинаковой мощности позволяет сэкономить до 17% топлива за счёт более высокого эффективного КПД дизельного двигателя.

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. Этого недостатка лишены газовые турбины, так как в них рабочим телом так же являются продукты сгорания топлива, но возвратно-поступательный закон движения рабочего органа заменён  на вращательный.

  Схема газотурбинной установки  (ГТУ) с изобарным подводом теплоты приведена на рис. 5.2.

ческая энергия струи газа превращается в механическую энергию вращательного движения лопаток 4 турбины. Термический КПД цикла газотурбинной установки определяется из выражения (5.7):                                                            ,                                                               (5.7)

где  k  - показатель адиабаты;

      - степень повышения давления в адиабатном процессе ().

Как видно из (5.7), термический КПД цикла ГТУ с изобарным подводом теплоты возрастает с увеличением степени повышения давления . Это объясняется тем, что с увеличением  повышается средняя температура подвода теплоты q₁ (рис. 5.3) и увеличивается полезная работа , определяемая площадью цикла.

В авиации увеличение скорости полёта до 1000 км/час стало возможным только с переходом от поршневых ДВС к реактивным двигателям, которые способны обеспечить требуемую тягу при значительно меньших размерах и массе силовой установки.

В реактивных двигателях сила тяги летательного аппарата является силой реакции продуктов сгорания, вытекающих с большой скоростью из сопла в окружающую среду:

                                        ,                                                   (5.8)

где       - секундная масса продуктов сгорания, кг;

  - скорость истечения из сопла, м/с;

   - скорость движения летательного аппарата, м/с.

Реактивные двигатели подразделяются на ракетные и воздушно-реактивные. В ракетных двигателях окислитель для горения топлива запасается на борту летательного аппарата, а воздушно-реактивные двигатели (ВРД) для горения топлива используют кислород атмосферного воздуха, По принципу работы ВРД делятся на прямоточные (бескомпрессорные) и турбокомпрессорные.

Схема и диаграмма изменения скорости прямоточного реактивного двигателя показаны на рис. 5.4. При работе двигателя в полёте в диффузоре 1 происходит сжигание встречного потока воздуха в результате уменьшения

сгорания, в результате чего газ с большой скоростью вытекает из сопла. Идеальный цикл прямоточных воздушно-реактивных двигателей аналогичен циклу газотурбинных двигателей с изобарным подводом теплоты, а термический КПД, определяемый по уравнению (5.7), возрастает с увеличением скорости полёта.

Степень увеличения давления воздуха  может дополнительно повысить, если за диффузором 1 поставить турбокомпрессор с вспомогательной газовой турбиной, использующей часть располагаемой работы продуктов сгорания. Такой реактивный двигатель с турбокомпрессорной установкой, имеет  высокую экономичность и достаточно большую силу тяги на старте, что определяет его широкое применение в современной авиации.

Одним из важных направлений применения тепловых машин является выработка искусственного холода, которая осуществляется в холодильных установках.

Холодильная установка – это тепловая машина, предназначенная для понижения температуры тела ниже окружающей среды и непрерывного поддержания этой температуры. В промышленности установка глубокого холода, охлаждающие контактирующие с ними вещества до - 200°С, используются для сжижения воздуха и других газов.

В массовом производстве широкое распространение получили паровые холодильные установки в которых в качестве хладагентов используются пары фреона – 12 или аммиака, имеющие низкие температуры кипения¹.

В холодильных установках осуществляется переход теплоты от тела с меньшей температурой к телам более нагретым. Согласно второму закону термодинамики такой переход в естественных условиях невозможен, для его осуществления необходим компенсирующий процесс с затратой внешней энергии. Такими процессами могут быть превращение работы в теплоту или переход теплоты от горячего тела к холодному. Установки,

в которых энергия для получения холода затрачивается в виде механической работы на привод компрессора, называются компрессионными, а установки, в которых энергия затрачивается в виде теплоты на термодинамическую компрессию – абсорбционными.

Схема и диаграмма цикла паровой компрессионной  холодильной установки показаны на рис. 5.5.

Насыщенный пар хладагента всасывается компрессором К и адиабатно сжимается до давления  с затратой работы  (процесс 1-2, рис.5.5 б). Из компрессора сжатый пар поступает в конденсатор, где при постоянном давлении  вследствие отнятия у пара теплоты  охлаждающей водой   (процесс 2-2' ) перегретый пар становится насыщенным,  а затем    при постоянной температуре Т₁    осуществляется его полная конденсация      

    _______________                               

¹Температура кипения фреон: -12 - 30° С (процесс 2'–3). Дальнейшее снижение температуры жидкого хладагента осуществляется в дроссельном регулируемом вентиле D . В процессе дросселирования (3-4) резко понижается давление, в результате чего хладагент охлаждается. На T-s диаграмме          процесс дросселирования показан пунктирной линией, как необратимый процесс при i=const. Образовавшаяся после дросселирования низкотемпературная парожидкостная смесь под небольшим давлением поступает в испаритель И  холодильной камеры Х (рис. 5.5 а). В испарителе постоянной температуры Т₂ происходит отбор теплоты  от охлаждаемых объектов и за счёт этого хладагент вскипает (процесс 4-1). Пар, образовавшийся в точке 1, вновь захватывается компрессором и цикл повторяется.

Эффективность цикла холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом :

                                                                                       (5.9)

В уравнении (5.9) количество теплоты , отнятой 1 кг хладагента от охлаждаемой среды, называется удельной хладопроизводительностью.

Эффективность холодильных установок зависит также от свойств применяемых хладагентов. Например, при температурах = 30°С и = -15°С для аммиака = 4,85, для фенола -12 = 4,72. а для любого хладагента в этом диапазоне температур в идеальном обратном цикле Карно  5,74. Из приведённых данных видно, что парокомпрессорный холодильный цикл достаточно эффективен как для аммиака, так и для фенола -12, но несмотря на то, что >  аммиак в настоящее время используется весьма ограничено из-за его токсичности и взрывоопасности.