Теплотехника. Недостатки поршневых ДВС. (Лекция 9)

1.

Недостатки поршневых ДВС
1) невозможность осуществления в цилиндре полного
адиабатного расширения продуктов сгорания до
атмосферного давления, ( теряется полезная работа);
2) наличие частей с возвратно-поступательным
движением приводит к неизбежной неравномерности
работы, что делает невозможным повышение
быстроходности двигателя и сосредоточение больших
мощностей в одном агрегате при умеренном габарите и
сравнительно небольшой массе.

2.

Газотурбинные
установки (ГТУ)
Недостатки, присущие поршневым ДВС, устраняются
в ротационных двигателях внутреннего сгорания, или
газотурбинных установках.
Особенностью роторно-поршневого двигателя (двигателя
Ванкеля) является применение
трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника
Рело, вращающегося внутри цилиндра специального
профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде.

3.

Роторно-поршневой
двигатель

4.

Роторно-поршневой
двигатель
За счёт отсутствия преобразования возвратнопоступательного движения во вращательное, двигатель
Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты по
сравнению с традиционными двигателями. Роторнопоршневые двигатели обладают более высокой мощностью
при небольшом объёме камеры сгорания, сама же
конструкция двигателя сравнительно мала и содержит
меньше деталей.

5.

Роторно-поршневой
двигатель
Недостатки
Соединение ротора с выходным валом
через эксцентриковый механизм, вызывает
давление между трущимися поверхностями, что
в сочетании с высокой температурой приводит к
дополнительному износу и нагреву двигателя.

6.

Газотурбинные
установки (ГТУ)
В настоящее время ГТУ используются в качестве
транспортных двигателей (авиационных, судовых и
железнодорожных),
маневренных
энергетических
установок мощностью до 200МВт.
ГТУ классифицируются по способу сжигания топлива:
ГТУ со сгоранием при р = const и со сгоранием при v =
const.

7.

Газотурбинные
установки (ГТУ)
Однако последние
распространения,
ГТУ
не
получили
широкого
во-первых, из-за неэкономичной работы турбины, из-за
изменения во времени параметров продуктов сгорания,
поступающих в турбину;
во-вторых, из-за сложного конструктивного оформления
ГТУ со сгоранием при v = const.

8.

Схема газо-турбинной
установки при p=const
ТН – топливный насос
С – сопла
К – компрессор
Л – рабочие лопатки турбины
КС – камера сгорания
П – выпускной патрубок

9.

10.

Цикл ГТУ
Цикл ГТУ со сгоранием при p = const

11.

Параметры цикла ГТУ
1-2 Адиабатное сжатие компрессором атмосферного
воздуха от давления р1 до давления р2 .
2-3 Изобарный подвод теплоты (заменяет процесс
сгорания топлива).
3-4 Адиабатное расширение газа на лопатках турбины.
4-1 Изобарный отвод теплоты (заменяет изобарное
охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов
сгорания.

12.

Параметры цикла ГТУ
Идеализированный цикл ГТУ состоит из двух адиабат
(1-2 и 3-4) и двух изобар (2-3, 4-1).
Параметрами такого цикла являются степень повышения
давления в компрессоре β и степень изобарного
расширения .
b = p1 p 2 , = n 3 n 2 .

13.

КПД ГТУ
Термический КПД ГТУ со сгоранием при
p = const
T1
1
ht = 1 - = 1 - k -1 .
T2
bk
C уменьшением начальной температуры Т1 и с ростом
степени повышения давления КПД цикла увеличивается.

14.

Мощность, КПД
и тепловой баланс ДВС
Различают :
1)индикаторную (внутреннюю) Ni мощность, развиваемую
рабочим телом в цилиндре ДВС,
2) эффективную Ne, получаемую на валу двигателя,
3) литровую (удельную) Nл, отнесенную к 1 л рабочего
объема цилиндра.

15.

Мощность, КПД
и тепловой баланс ДВС
1. Индикаторная мощность:
N i =pi Vh nz/τ ,
pi –среднее индикаторное давление, Па;
Vh – рабочий объем цилиндра, м3;
n – частота вращения вала двигателя в 1 с;
z – число цилиндров двигателя; =4 для четырехтактных
и =2 для двухтакных двигателей.
Среднее индикаторное давление pi=Ai/Vh, где Ai
индикаторная работа двигателя.

16.

Мощность, КПД
и тепловой баланс ДВС
2. Эффективная мощность:
Ne < Ni на величину механических потерь, потерь на
привод вспомогательных механизмов (топливного и
водяного насосов, вентилятора и т.п.) и потерь,
связанных с затратой энергии на всасывание и выхлоп.
Они оцениваются мех. КПД:
N e =η×N
,i
M
3. Литровая мощность
характеризует степень использования рабочего объема
цилиндров:
Nл = Ne/(zVh).

17.

Мощность, КПД
и тепловой баланс ДВС
Полнота использования теплоты топлива определяется
величиной индикаторного КПД:
r
i
ηi =N i /(BQ ),
где В – расход топлива, кг/с;
Qir – низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;
hi = ht h0 i ;
ht -термический КПД;
h0 i - внутренний относительный КПД, учитывающий
необратимые потери.

18.

Мощность, КПД
и тепловой баланс ДВС
Экономичность ДВС оценивается эффективным КПД:
η e =N e /(BQ ir ),
Если ДВС используется для привода электрогенератора, то
эффективность оценивается электрическим КПД:
hэл = hi hMГh пер
h ,
hГ hпер -КПД электрогенератора и трансмиссии.

19.

Мощность, КПД
и тепловой баланс ДВС
Баланс мощности для ГТУ:
NГ.Т.У. = NК. + NЭ.Г. + NН.,
где NГ.T.У. - мощность ГТУ; NK - мощность компрессора;
NЭ.Г. - мощность электрогенератора; NH. - мощность
насоса.
.

20.

Методы повышения
термического КПД ГТУ
Для повышения КПД ГТУ применяют следующие методы:
1.Регенерация теплоты.
2.Многоступенчатое сжатие воздуха с промежуточным
охлаждением.
3.Многоступенчатое сгорание топлива.
.

21.

Методы повышения
термического КПД ГТУ
Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при
постоянном давлении
. 1 – регенератор, в котором нагревается воздух за счет теплоты
отходящих газов перед поступлением в камеру сгорания

22.

Методы повышения
термического КПД ГТУ
Ts – диаграмма ГТУ с регенерацией теплоты

23.

Регенерация теплоты
1-2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре,
2-6 изобарный подогрев воздуха в регенераторе,
6-3 изобарный подвод теплоты в камере сгорания,
3-4 адиабатное расширение в сопловых аппаратах и на
лопатках газовой турбины,
4-5 изобарный отвод теплоты от газов к воздуху в
регенераторе Р,
5-1 изобарное охлаждение газов в атмосфере.
.

24.

Регенерация теплоты
Степень регенерации теплоты σ – есть отношение
фактически регенерированной теплоты к предельно
возможной (полной), изменяется в пределах от 0 до 1:
qсрег.(T pT )6¢ - 2
(T5¢ - T5 )
s=
=
=
.
qс¢рег.(T pT )6 - (T
T )4 - 5
2
Если T6 = T6¢ (T5¢ = T4 ) , то регенерация полная σ=1. Это
означает, что поступающий в камеру сгорания сжатый
воздух нагревается до температуры уходящих газов, т.е.
Т3=Т4. Степень регенерации увеличивается с увеличением
поверхности нагрева регенератора.

25.

КПД ГТУ с регенерацией
теплоты
КПД ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
s
t
h = 1-
- 1 - s( - b
( - 1)b
k -1
k
)
- s( - b
s = 0, ht = 1 -
.
k -1
k
1
k -1
k
b
1
s = 1, ht = 1 - .
,
k -1
k
.
)

26.

Первый закон
термодинамики
для потока

27.

1-й закон термодинамики
для потока газа
Все подводимое к т/д системе тепло расходуется на
изменение ее внутренней энергии и на работу
изменения объема системы.
V2
Q = U 2 - U 1 p dV,
(а)
V1
q = u2 - u1
V2
p dv,
V1
(б)

28.

1-й закон термодинамики
для потока газа
V2
dq = du p dv,
(в)
V1
Если поток рабочего тела проходит через
теплотехническое устройство, в котором протекает
обратимый процесс, то тепло Q, подводимое к потоку,
расходуется на:
а) изменение внутренней энергии U1 – U2;
б) работу проталкивания p2V2-p1V1 ;
в)изменение внешней кинетической энергии
(w 22 - w 12 )
G
2

29.

1-й закон термодинамики
для потока газа
г) изменение потенциальной энергии Gg(H2—H1 ) ;
д) на полезную работу потока, совершаемую им при
помощи подвижных элементов устройства над
внешним объектом, ее называют технической работой
(Lтех).
Для G кг рабочего тела при разности отметок потока
H2 - H1
Q = U 2 - U 1 (p 2 V 2 - p1 V1 )
(w 22 - w 12 )
G
Gg(H 2 - H 1 ) Lтехн
2
(д)

30.

Основные уравнения
процессов течения
Для потока уравнение 1-го закона термодинамики:
(w 22 -w12 )
q1-2 =(i 2 -i1 )+
+(h 2 -h1техн
)+l
2g
+l
тр
в диф. форме:
wdw
dq = di
dh dl тех dl тр
g
Подводимое к потоку тепло q cостоит из тепла qвнеш,
поступающего извне, и тепла трения qтр:
q = q внеш q тр,

31.

Основные уравнения
процессов течения
Тепло подвод. (отвод.) к потоку qвнеш, расходуется на
изменение энтальпии жидкости и на скорость движения
жидкости
Для случая адиабатного потока (dqвнеш= 0):
wdw
di
= 0.
g
(1)
Если адиабатный поток ускоряется (dw 0), то его
энтальпия уменьшается (di 0), и наоборот. Ускорение
адиабатного потока происходит за счет уменьшения его
энтальпии.

32.

Основные уравнения
процессов течения
Для случая адиабатного течения (qвнеш1-2= 0) и при
отсутствии техн. работы (lтехн=0) :
w 12
w 22
u1 p 1 v 1
h1 = u2 p 2 v 2
h2
2g
2g
(2)
Для несжимаемой жидкости (dv = 0) du= 0, т.е u1= u2
уравнение (2) примет вид:
w 12
w 22
p1 v 1
h1 = p 2 v 2
h2
2g
2g

33.

Уравнение Бернулли
С учетом того, что v = 1/ , где - удельный вес, а = g
/ , где - плотность получаем:
ρw 12
ρw 22
p1
ρgh1 = p 2
ρgh2 ,
2
2
(3)
(3) - называется уравнением Бернулли.
Если h1 = h2, то уравнение (3) имеет вид:
ρw 12
ρw 22
p1
= p2
.
2
2
(4)

34.

Уравнение Бернулли
Комплекс w2/2 – называется динамическим давлением
(напором) в отличии от р, называемым статическим
давлением. Сумма статического и динамического
давлений называется полным давлением потока.
Из (4) следует, что в обратимом адиабатном потоке для
несжимаемой жидкости при h=const полное давление
постоянно по длине потока.
При торможении потока (w=0) статическое давление
становится равным полному давлению.

35.

Интегрируя уравнение (1) между двумя точками потока,
получаем:
откуда
(w 22 - w 12 )
i1 - i 2 =
,
2g
w 2 = 2g(i 1 - i 2 ) w 12
При течении без трения при lтехн =0 и dh= 0
wdw
= -vdp.
g
(5)

36.

Eсли давление по движению потока падает (dp 0), то
скорость потока возрастает (dw 0) и наоборот.
Интегрируя (5):
2
2
2
1
p2
w
w
= - vdp
2g 2g
p1
w2 =
p1
2g vdp w
p2
2
1
(6)

37.

Величина работы, расходуемой на увеличение
кинетической энергии потока равна работе расширения
и работе проталкивания потока.
Уравнение (6) справедливо для любого случая течения
без трения. Зависимость v ( p ) различна для разных
процессов, и различными будут значения интеграла.
Для реальных газов этот интеграл вычисляется по
экспериментальным p, v, T данным численными
методами, а для ид. газов – по уравнению адиабаты.

38.

p1
Т.к.
v2
vdp = pdv - (p
p2
2
v 2 - p 1 v 1 ) и поскольку
v1
работа проталкивания яляется «неизбежной спутницей»
всякого течения, то из работы совершаемой системой
может быть полезно использована работа за вычетом
работы проталкивания, т.е. величина
w 22 w 12
2g 2g
Т.е. превратить в другие виды работы можно лишь ту
часть работы расширения потока, которая идет на
увеличение кинетической энергии.

39.

Найдем соотношение связывающее между собой
перепад энтальпий и величину располагаемой работы.
Из 1-го закона т/д dq =di – vdp, при q = 0, следует di =
vdp и следовательно:
p1
i 1 - i 2 = vdp.
p2

40.

Методы повышения
термического КПД ГТУ
.