Теплотехника. Термодинамические основы работы тепловых машин

1. «Теплотехника»

ФБГОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»
Кафедра двигателей внутреннего сгорания
«Теплотехника»
Часть 2
Термодинамические основы
работы тепловых машин
составлен
кандидатом технических наук, доцентом
Ивневым
Александром Андреевичем
в соответствии с действующим государственным
образовательным стандартом ВО
Ярославль, 2013-2016
1

2. Схема энергопотоков в тепловом двигателе

2

3. Термодинамические основы и условия работы тепловых двигателей

Процесс 1-в-2:
2
l расш p d
1
Процесс 2-а-1:
1
lсж p d
2
l расш lсж lц ; lц 0
qö q1 q2
qö lö
q1 lö q2
3

4. Цикл Карно

«Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых
для ее развития; ее количество исключительно
определяется ТЕМПЕРАТУРАМИ тел, между которыми
производится перенос теплорода»
С.Карно 1824 г.
4

5. Прямой обратимый цикл Карно

Tmin
tk 1
Tmax
1-2 – сжатие без теплообмена
2-3 – изотермическое расширение
3-4 – расширение без теплообмена
4-1 – изотермическое сжатие
5

6. Показатели термодинамического цикла

Термический КПД- показатель
эффективности
использования теплоты
термодинамического цикла
t
lЦ
q1
qЦ
q1
Среднее давлениепоказатель
работоспособности
термодинамического цикла
q1 q2
pt
q1
6
lЦ

7.

Классификация идеальных термодинамических
циклов поршневых двигателей
Идеальные
термодинамические
циклы тепловых
двигателей
С изохорным
подводом теплоты
(цикл Отто)
С изобарным
подводом теплоты
(цикл Дизеля)
7
С смешанным
подводом теплоты
(цикл Тринклера)

8. Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей

Идеальный цикл поршневого ДВС
с изохорным подводом теплоты (цикл Отто)
1
2
p
3
p2
q1
1
c T1 k 1
8
t 1
1
k 1

9. Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей

Идеальный цикл поршневого ДВС
с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля)
1
2
3
2
1
q1
c р T1 k 1
9
k 1
t 1 k 1
k 1
1

10. Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей

Идеальный цикл поршневого ДВС - цикл Г.В.Тринклера
1
2
p
3 f (q1' )
p2
4 f (q1'' )
3
10
k 1
t 1 k 1
1 k ( 1)
1

11. Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей

Принципиальная схема газотурбинной установки
Принципиальная схема газотурбинной установки:
1.- турбина, 2. - камера сгорания, 3. - топливный насос, 4. – компрессор, 5. - вал отбора
мощности, 6. - регенератор (подогреватель воздуха).
11

12.

Идеальные термодинамические циклы поршневых двигателей
Идеальный цикл газотурбинной установки (Брайтона)
t 1
p1
к
p2
12
1
k 1
k
к

13.

Идеальный цикл комбинированного двигателя
Термодинамический цикл:
1-2-3-4-5 - цикл Тринклера;.
7-8-9-10 - цикл ГТУ:
6-7–подвод теплоты к турбине;
7-8–адиабатное расширение;
8-9–изобарный отвод тепла;
9-10–адиабатное сжатие в компрессоре;
10-1–охлаждение надувочного воздуха.
13
Принципиальная схема :
1-поршневой двигатель, 2-компрессор,
3-турбина, 4-охладитель надувочного
воздуха.

14. Термодинамические обратные циклы

Содержание раздела:
Термодинамические обратные циклы, условия
для работы холодильных машин
Холодопроизводительность,
холодильный
отопительный коэффициенты
Идеальный воздушный обратный цикл
14
и

15. Схема энергопотоков в холодильной установке

Холодильными машинами принято называть комплекс агрегатов,
устройств, в которых реализуется обратный термодинамический цикл и
предназначенный для передачи теплоты от «холодного» источника
«горячему».
15

16.

Термодинамические основы и условия работы холодильных установок
Холодильные
установки
Рефрижераторы
«Тепловые насосы»
Установки, в которых полезным
эффектом считается теплота,
отдаваемая горячему источнику, а
холодным источником является
окружающая среда, называются
тепловыми насосами
Холодильные установки, в которых
полезным
эффектом
считается
теплота, отводимая от «холодного»
источника, а «горячим» источником
является
окружающая
среда,
называются рефрижераторами.
16

17.

Холодильные
установки
Рефрижераторы
«Тепловые насосы»
q2
q2
x
q1 q2
lц
ò
q1
q1
q1 q2
lö
Отопительный коэффициент
Холодильный коэффициент
17

18.

Обратный обратимый воздушный термодинамический цикл
(воздушная компрессионная холодильная установка)
Принципиальная схема
воздушной компрессионной
холодильной установки:
1-холодильная камера
(теплообменник-1);
2-компрессор;
3-теплообменник-2;
4-расширительная машина
Холодильный коэффициент
x
18
q2
T1
T2 T1
lö

19. Термодинамические основы работы компрессора

Содержание раздела:
Показатели работы.
Процессы сжатия
Многоступенчатые компрессоры.
Понятие об адиабатическом
центробежного компрессора.
КПД
Компрессор – механическое устройство, предназначенное для
сжатия газов и перемещения их по трубопроводам.
19

20.

Классификация компрессоров по принципу действия
Компрессоры
Статического
сжатия
(объемные)
Поршневые
Динамического
сжатия
(лопаточные)
Ротационные
Центробежные
20
Осевые

21.

Термодинамические основы работы компрессора
Требования к работе
компрессора:
Показатели работы компрессора:
степень повышения давления
техническая работа
компрессора должна быть
возможно меньшей;
к
p2
p1
«техническая» работа
2
LK V dp
температура
после сжатия
ограничена условиями смазки.
1
температура в конце сжатия
T2 T1 к
21
k 1
k

22.

Термодинамические основы работы компрессора
Рабочий цикл одноступенчатого
компрессора
а-1 – наполнение рабочего объема;
1-2 – сжатие (в точке 2 открывается
нагнетательный клапан);
2-b – нагнетание.
22

23.

Термодинамические основы работы компрессора
Процессы сжатия в компрессоре
1-2 – изотермический процесс;
1-2’ – адиабатическое сжатие;
1-2’’ – политропное сжатие.
Вывод:
применение
изотермического
сжатия является энергетически
более выгодным!
23

24.

Расчет удельной технической работы компрессора
При изотермическом
сжатии:
При адиабатическом
сжатии идеального газа:
lK l0 p1 1 ln
lÊ
p1
p
R T ln 2 R T ln 1
p2
p1
2
T
k R
k
T2 T1
R T1 2 1
k 1
k 1
T1
k 1
k
p
k
lÊ
R T1 2 1
p1
k 1
.
При политропном
сжатии идеального газа:
T2
n R
n
lÊ
T2 T1
R T1 1
n 1
n 1
T1
n 1
n
p
n
lÊ
R T1 2 1
p1
n 1
24

25.

Термодинамические основы работы компрессора
Расчет удельного количества теплоты в компрессоре
p2
q R T ln
p1
При изотермическом
сжатии:
.
При политропном сжатии:
q c T c
:
25
n k
(T2 T1 )
n 1

26.

Термодинамические основы работы компрессора
Процессы в многоступенчатом компрессоре
Процессы сжатия в 3-х ступенчатом компрессоре:
1-2’’-политропное сжатие; 1-3 – процесс сжатия в 1-м цилиндре
c-c’-изобарное охлаждение в 1-м теплообменнике;
c’-d -процесс сжатия во 2-м цилиндре;
d-d’- изобарное охлаждение в 2-м теплообменнике;
d’-e - процесс сжатия во 3-м цилиндре.
26

27.

Термодинамические основы работы компрессора
Устройство и работа центробежного компрессора
27

28.

Термодинамические основы работы компрессора
Процессы в центробежном компрессоре (нагнетателе)
к
ад
lад
lполитр
Адиабатический КПД для
центробежных
нагнетателей 0,7—0,8.
28

29. Водяной пар. Диаграммы состояния водяного пара.

Пар - это реальный газ, способный в условиях применения переходить в
жидкость.
p,v-диаграмма состояния водяного пара
29

30. Водяной пар

T,s-диаграмма состояния водяного пара
30

31. H,d-диаграмма состояния водяного пара

31

32. Процессы с водяным паром на H,d-диаграмме.

В-С – переход пара из влажного состоянии в сухой насыщенный;
С-Д–получение перегретого пара при постоянном давлении;
D-Е-адиабатическое расширение пара с переходом во влажное состояние.
32

33.

Паротурбинные установки
Принципиальная схема
паротурбинной установки:
1 - парогенератор;
2 -. пароперегреватель;
3 - турбина;
4 - генератор;
5 - конденсатор;
6 - жидкостный насос
Цикл Ренкина паротурбинной установки на
перегретом паре:
а-b – подогрев воды до кипения;
b-c - парообразование;
c-d – перегрев пара;
d-e – адиабатическое расширение в турбине;
e-b’ - полная конденсация;
b’-a – перекачивание воды в насосе.
lò
q1
t
33
hd hb ' hd hd ' hd he
hd hb '
hd hb '

34. Процессы цикла Ренкина на H,d-диаграмме

Количество теплоты, подводимое
в пароперегревателе:
q hd hb
Располагаемая работа пара в турбине:
lò hd he
Коэффициент полезного действия турбины:
34
lò
hd

35.

Парокомпрессионные холодильные установки
Принципиальная схема и элементы паровой компрессионной холодильной
установки:
1- теплообменник-испаритель;
2- компрессор;
3-теплообменник-конденсатор;
4-расширительный агрегат (дроссельный вентиль или машина-детандер
35

36.

Парокомпрессионные холодильные установки
Термодинамический цикл холодильной установки в p,v и T,s
диаграммах:
1-2 – адиабатическое сжатие сухого пара до состояния перегретого,
2-3 – отвод теплоты при изобарном охлаждении перегретого пара и
последующей полной конденсации;
3-4 – расширение адиабатическое (или изоэнтальпное);
4-1 –кипение жидкости за счет подвода теплоты от «холодного источника».
36

37.

Парокомпрессионные холодильные установки
q2 h1 h5
lк h2 h1
q1 h2 h3
q2
x
lÖ
Термодинамический цикл холодильной установки в p,h диаграмме:
1-2 – адиабатическое сжатие сухого пара до состояния перегретого,
2-3 – отвод теплоты при изобарном охлаждении перегретого пара и
последующей полной конденсации;
3-4 – расширение адиабатическое (или изоэнтальпное);
4-1 –кипение жидкости за счет подвода теплоты от «холодного источника».
37

38.

Термодинамический цикл холодильной установки
в p,h-диаграмме:
38

39.

Свойства холодильных агентов
Холодильный
агент
Обознач
ение
Теплота
парообра
зования
при ts ,
r,
кДж\кг
Температ
ура
насыщен
ия
ts , o C
при p=0,1
МПа
Давление насыщения рs,
МПа
при температуре:
15 oC
-10 oC
55 oC
Аммиак, NН3
R717
1370*
-33,4
0,728
0,291
2,31
Углекислота, СО2
R744
350**
-78,5
5,08
2,64
-
Хлористый метил CH3Cl
R-40
-23,7
0,42
0,175
Дифтордихлорметан,
СF2Cl2
R-12
166*
-30,6
0,49
0,22
1,37
Дифтормонохлорметан,
CHF2Cl
R-22
233*
-40,85
0,79
0,355
2,17
Тетрафторэтан
CF3CFH2 (С2H2F4)
R-134а
214,5*
-26,2
0,49
0,20
1,49
Дифтормонохлорэтан
(С2H3F2Cl2), СH3F2Cl*
R-142
-9,25
0,25
0,0997
0,8
Пропан, С3Н8
R-290
-42,17
0,72
0,34
1,9
424
39