Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок. Круговые процессы, цикл Карно

1. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок 1. Круговые процессы, цикл Карно

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Кафедра термодинамики и тепловых двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЦИКЛ КАРНО

2. Круговые процессы (циклы)

■ Тепловые машины – тепловые двигатели и холодильные машины.
Все тепловые машины работают циклически.
■ Круговые процессы или циклы тепловых машин – замкнутые
процессы, характеризующиеся возвратом системы (рабочих тел) в
исходное состояние.
■ В круговых процессах интегральное изменение любой функции
состояния равно нулю
dz 0
где z = p; V(v); Т; U(u); H(h) и т.п.
2

3.

Термодинамические схемы теплового
двигателя (а) и холодильной машины (б):
– обратимый цикл,
– реальный цикл
3

4.

■ Эффективность любого реального теплового двигателя
определяется коэффициентом полезного действия (КПД).
■ Коэффициент полезного действия реальных циклов тепловых
двигателей численно равен отношению полученной работы к
подведенному извне количеству теплоты
*
Lц
Q1*
*
*
Q1 Q2
Q1*
1
*
Q2
Q1*
■ Для обратимого цикла теплового двигателя КПД определяется
следующим образом:
обр
Lц .обр
Q1обр
4

5. Цикл Карно

А-В изотермическое
расширение
В-С адиабатное
расширение
С-D изотермическое
сжатие
D-A адиабатное
сжатие
Французский инженер Сади Карно в 1824 г. предложил обратимый цикл
тепловой машины, рабочим телом в котором является идеальный газ.
Цикл Карно осуществляется между двумя внешними источниками постоянных
температур Т1 и Т2 и состоит из двух адиабат(?) и двух изотерм(?)
5

6. Цикл Карно

p
Цикл Карно дает максимальное значение
термического КПД в заданном диапазоне
температур
T
1
q1
q1
1
2
1-2 изотермическое расширение
Т1
2
2-3 адиабатное расширение
Т2
4
q2
3-4 изотермическое сжатие
3
4
4-1 адиабатное сжатие
q2
3
v
Δs
S
q1 q 2
q2
T2 s
Т2
t
1
1
1
q1
q1
T1 s
Т1
6

7. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок 2. циклы двс

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Кафедра термодинамики и тепловых двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
2. ЦИКЛЫ ДВС

8. Циклы двигателей внутреннего сгорания

Тепловые поршневые машины, в которых в качестве рабочего тела
используются продукты сгорания жидких или газообразных топлив,
сжигаемых непосредственно внутри рабочего цилиндра
0-1 – процесс всасывания воздуха из атмосферы в
цилиндр двигателя
1-2 – процесс сжатия воздуха
т.2 – начало воспламенения топлива
2-3 – изохорный подвод теплоты
3-4 – процесс адиабатного расширения продуктов
сгорания
т. 4 – открытие выхлопного клапана
4-0 – изохорный отвод теплоты (выхлоп дымовых газов в
атмосферу)
8

9. Циклы ДВС – допущения

■ Масса рабочего тела не меняется.
■ При подводе теплоты (сжигании топлива) не происходит химических
реакций.
■ Не происходит побочных потерь теплоты, кроме основной – во время
выпуска газов.
■ Процессы сжатия и расширения происходят адиабатно.
■ Процесс отвода рабочего тела заменяется отводом теплоты через
стенки цилиндра.
■ Все процессы считаются обратимыми.
■ Рабочим телом принимается идеальный газ.
9

10. Теоретические циклы ДВС (по характеру подвода теплоты)

ЦИКЛЫ
ДВС
Цикл Отто
Цикл Дизеля
Цикл Тринклера-Сабатэ
10

11. Цикл Отто

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз до НМТ
Цилиндр заполняется ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСЬЮ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх до ВМТ
Повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Сгорание (искра от свечи).
Расширение.
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре (рабочий ход)
11

12. Цикл Отто

T
p
3
3
q1
q1
4
2
2
4
q2
q2
1
1
s
v
■ 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
■ 2-3 изохорный подвод теплоты
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела
■ 4-1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику
12

13. Характеристики цикла Отто

p
■ Степень сжатия
1
ε
2
■ Степень повышения давления
p3
p2
T
3
q1
q1
2
2
4
q2
1
3
4
q2
1
s
v
T4
1
Cv T4 T1
q2
T1 T1
1
1 k 1
ηt,О 1
1
1
q1
Cv T3 T2
T2 T3 1
T
2
■ Термический КПД
13

14. Необходимо отметить

■ Степень сжатия ε = 7..11
■ Во время впуска в цилиндр поступает топливовоздушная смесь
■ Топливовоздушная смесь воспламеняется благодаря
электрическому заряду
■ Сгорание происходит очень быстро
■ Термический КПД цикла ηt,О = 25…30 %
14

15. Цикл Дизеля

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз
Цилиндр заполняется ВОЗДУХОМ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх
ЗНАЧИТЕЛЬНО повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Топливо впрыскивается под высоким давлением (самовосплам-е)
Расширение
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре
15

16. Цикл Дизеля

q1
p
2
T
3
3
q1
4
2
4
q2
q2
1
1
v
■ 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
s
■ 2-3 изобарный подвод теплоты
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела
■ 4-1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику
16

17. Характеристики Цикла Дизеля

q1
p
2
3
■ Степень сжатия
1
2
■ Степень предварительного расширения
3
T
q1
4
2
4
1
q2
q2
1
v
s
3
2
T4
1
Cv T4 T1
q2
T1 T1
1 1
t ,Д 1 1
1
1 k 1
q1
C p T3 T2
kT2 T3 1
( 1)
T
2
■ Термический КПД
17

18. Необходимо отметить

■ Степень сжатия ε = 15…22
■ Во время впуска в цилиндр поступает воздух
■ Топливо воспламеняется путем самовоспламенения
■ Сгорание длится столько же, сколько длится процесс впрыскивания
■ Термический КПД цикла ηt,Д = 40…45 %
18

19. Цикл Тринклера (Сабатэ)

q’’1
p
3
q”1
T
4
q’1
q’1
4
3
5
2
2
5
q2
q2
1
1
s
v
■ 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
■ 2-3 изохорный подвод теплоты
■ 3-4 изобарный подвод теплоты
■ 4-5 адиабатное расширение
■ 5-1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику
19

20. Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ

q’’1
p
■ Степень сжатия
1
2
■ Степень повышения давления
p3
p2
3
T
4
q”1
q’1
q’1
4
3
5
2
2
5
q2
q2
1
v
1
s
■ Степень предварит. расширения
4
3
q2
1
1
1 1
■ Термический КПД t ,С Т 1 '
''
q1 q1
( 1) ( 1)
20

21. Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=idem

3’
T
v=idem
3’’
■ 123’4 – цикл с изохорным подводом
теплоты
4
■ 123’’4 – цикл с изобарным подводом
теплоты
p=idem
2
q2
1
s
a
b
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
q1,О q1,Д
ηt,О ηt,Д
21

22. Сравнение циклов Отто и Дизеля при Т3=idem

3
T
■ 1234 – цикл с изохорным подводом
теплоты
p=idem
2’
■ 12’34 – цикл с изобарным подводом
теплоты
4
v=idem
2
q1,Д q1,О
q2
1
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
s
ηt,Д ηt,О
22

23. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок 2. циклы ГТУ

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Кафедра термодинамики и тепловых двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
2. ЦИКЛЫ ГТУ

24. Классификация газотурбинных установок

Типы ГТУ
по способу
сжигания
топлива
p=idem
Брайтона
v=idem
Гемфри
способ передачи теплоты
холодному источнику
открытые
закрытые
24

25. Цикл Гемфри – ГТУ с подводом теплоты в процессе v=idem (импульсная схема)

■ ОК – осевой компрессор
■ КСг – камера сгорания
■ ГТ – газовая турбина
■ СВ – силовой вал
■ Н – нагрузка
■ 1, 2 – впускные клапаны
■ 3 – выпускной клапан
25

26. Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания

Цикл Гемфри
Р
T
3(z)
3(z)
q1
q1
2(с)
4(s)
2(c)
Р0
4(s)
1(а)
q2
v
1(a)
q2
s
■ 1-2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре
■ 2-3 изохорный подвод теплоты (v=const)
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине
■ 4-1 изобарный отвод теплоты
27

27. Цикл Гемфри

Характеристики цикла Гемфри
Р
■ Степень повышения давления в компрессоре
3
q1
Р2
Р1
2
■ Степень повышения давления в камере сгорания Р0
Р3
Р2
4
1
q2
v
1
k
k ( 1)
■ Термический КПД цикла t ,Г 1 k 1
1
k
1
28

28. Характеристики цикла Гемфри

Цикл Брайтона – ГТУ с подводом теплоты
в процессе p=idem
■ 1 – компрессор
■ 2 – камера сгорания
■ 3 – газовая турбина
■ 4 – электрогенератор
■ 5 – топливный насос
30

29. Экономичность цикла Гемфри

Простейшая камера сгорания ГТУ
■ 1 – подвод топлива
■ 2 – регистр
■ 3 – пламенная труба
■ 4 – смеситель
■ 5 – зона смешения
■ 6 – зона горения
■ 7 – корпус
■ 8 – топливораздающее
устройство (горелка,
форсунка)
31

30. Цикл Брайтона – ГТУ с подводом теплоты в процессе p=idem

Цикл Брайтона
q1
Р
3
T
q1
3
2
4
2
1
4
q2
v
1
q2
s
■ 1-2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре
■ 2-3 изобарный подвод теплоты (p=idem)
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине
■ 4-1 изобарный отвод теплоты
32

31. Простейшая камера сгорания ГТУ

Характеристики цикла Брайтона
■ Степень повышения давления в компрессоре
Р2
Р1
Р
q1
3
2
■ Степень изобарного расширения
3
2
1
■ Термический КПД цикла
t ,Б
4
q2
v
1
1
k 1
k
33

32. Цикл Брайтона

Сравнение циклов Гемфри и Брайтона
при π=idem
■ 1234 – цикл с изохорным подводом
3
теплоты
T
q1,Г q1,Б
3’
V=idem
2
■ 123’4 – цикл с изобарным подводом
теплоты
4
p=idem
Однако, ГТУ Гемфри не получили широкого
распространения из-за
1
s
a
t,Г t,Б
b
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
– сложностей в организации изохорного
сгорания топлива;
– усложнения конструкции камеры сгорания;
– усиленного износа клапанов и пр.
35

33. Характеристики цикла Брайтона

Сравнение циклов Гемфри и Брайтона
при Т3=idem
3
T
■ 1234 – цикл с изохорным подводом
теплоты
p=idem
■ 12’34 – цикл с изобарным подводом
теплоты
2’
v=idem
4
2
q1,Б q1,Г
q2
1
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
s
ηt,Б ηt,Г
36

34. Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

Цикл ГТУ с регенерацией тепла
■ 1 – воздушный компрессор
■ 2 – камера сгорания
■ 3 – газовая турбина
■ 4 – электрогенератор
■ 5 - регенератор
37

35. Сравнение циклов Гемфри и Брайтона при π=idem

Цикл ГТУ с регенерацией тепла
q1
Р
2
2’(5)
T
3
q1
3
4’(b)
2’(5)
qто
4
2
4’
1
q2
4
q2
v
1
■ 1-2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре
qто
■ 2-2’ нагрев воздуха в регенераторе за счет теплоты уходящих газов
■ 2’-3 нагрев рабочего тела в камере сгорания при p=idem в процессе подвода тепла
при сжигании топлива
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела в турбине
■ 4-4’ – отвод теплоты от уходящих газов в регенераторе
■ 4-1 – охлаждение газов в атмосфере
s
38

36. Сравнение циклов Гемфри и Брайтона при Т3=idem

Характеристики цикла ГТУ с
регенерацией тепла
■ Степень регенерации
Т 2' Т 2
Т4 Т 2
■ Степень повышения давления
3
T
q1
2’
p2
p1
2
3
■ Степень изобарного расширения
2'
q2
1
s
Т3
Т2
Т2'
, ,
■ Граничные температуры цикла
Т1
Т1
Т2
■ Термический КПД
1
pег
t
4’
tрег 1
4
qто
( 1)
1
k 1
k
( 1)
( 1)
39

37. Цикл ГТУ с регенерацией тепла

Учет необратимости потерь в ГТУ
■ 1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
Т
3
■ 1-2д условное необратимое адиабатное
сжатие воздуха в компрессоре
q1
2д
4д
■ 2д-3 изобарный подвод теплоты (p=idem)
2
1
4
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего
тела в газовой турбине
q2
■ 3-4д условное необратимое адиабатное
расширение рабочего тела в турбине
s
■ 4-1 изобарный отвод теплоты
40

38. Цикл ГТУ с регенерацией тепла

Учет необратимости в ГТУ
кад
l
h h
2 1
l
h2 ' h1
т
к
д
к
li
lтд lкд
i
q1д h3 h2'
д
h3 h4 '
l
т
т
0i т
lт h3 h4
lе (h3 h4 ) 0iт (h2 h1 ) / кад мех
мех - механический КПД
е
le
q1д
Nе Gвоздle

39. Характеристики цикла ГТУ с регенерацией тепла

42