Термодинамическая эффективность циклов ТСУ.

Максимальный термический к.п.д. имеет цикл Карно. В этом цикле предполагается, что горячий источник теплоты имеет бесконечную теплоёмкость, но практически это не так. Источником теплоты в реальных условиях являются продукты сгорания, разумеется, их теплоёмкость имеет конечную величину. Осуществить изотермичность процесса на практике не представляется возможным. По этой причине следует установить общие принципы, определяющие наибольшую термодинамическую эффективность теплосилового цикла, с точки зрения потери эксергии. Термический к.п.д. и связанный с ним метод тепловых балансов позволяет проследить за потоками теплоты, в частности рассчитать сколько теплоты превращается в аппарате в работу, и сколько выбрасывается неиспользованным (скажем, отдаётся холодному источнику).

Эксергетический метод позволяет проследить качественную сторону процесса перехода теплоты в работу, выявить причины и рассчитать потери работоспособности потока рабочего тела и теплоты и, следовательно, предложить методы ликвидации этих потерь, увеличивая тем самым эксергетический к.п.д. и эффективность работы установки.

ТСУ позволяют осуществлять получение полезной технической работы за счёт теплоты. Источником теплоты в таких установках служит топливо.

Максимальная полезная работа при химических реакциях определяется соотношением Гиббса-Гельмгольца:

может быть и больше и меньше Q в зависимости от знака производной. Для большинства ископаемых топлив

Таким образом, эксергия органического топлива примерно равна его теплоте сгорания. В ТСУ энергия энергетического топлива превращается в механическую работу. Горение топлива процесс необратимый, связан с потерей работоспособности тем большей, чем меньше Т1 продуктов сгорания. В современных установках температура горения топлива близка к 2000 К и согласно ранее полученной зависимости

видно, что с увеличением растёт , реально потери эксергии при горении до 30%. Разница между двумя методами может быть продемонстрирована на примере парового котла (рис. 10.1)

Продукты сгорания охлаждаются в изобарном процессе 1-2 и отдают теплоту:

Эта теплота идёт на нагрев воды и превращение её в пар линия 3-4-5-6 (перегретый пар). При отсутствии теплопотерь в окружающую среду т.е. .

Для выдерживания масштаба показатели воды и пара (энтропия) отнесены к 1 кг, а энтропия газа отнесена к их количеству, приходящемуся на 1 кг воды или пара, т.е. - удельная энтропия газа. Принимаем общее начало отсчёта энтропии

В этом случае эксергия входящего потока газа определяется по формуле:

.

Для выхода эта величина определится следующим образом:

На 1 кг пара теряется количество эксергии

Для пара увеличение эксергии потери эксергии составят:

. (10.2)

Графически эти потери составят площадь заштрихованной площадки (см. рис. 10.1). Расчёты показывают, что потери эксергии из-за необратимости теплообмена (это та потерянная работа, которая могла бы быть произведена за счёт теплоты продуктов сгорания топлива) превышают 30%. Потери теплоты в окружающую среду ещё более увеличивают эту цифру.

 

 

Циклы поршневых двигателей

Внутреннего сгорания.

Для исключения эксергетических потерь в тепловой машине вследствии

необратимости теплообмена с горячим источником, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы, получающиеся при сгорании топлива.

Это оказалось возможным осуществить в ДВС. Топливо сжигается непосредственно в цилиндре. Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатического сжатия рабочего тела в цилиндре, изохорного или изобарного подвода теплоты, адиабатного расширения и изохорного отвода теплоты.

В реальных двигателях подвод теплоты осуществляется сжиганием топлива в цилиндре. При мгновенном сжигании топлива процесс подвода теплоты можно рассматривать как изохорный. Если топливо и воздушная смесь подаются раздельно, т.е. вначале сжимается воздух, а потом впрыскивается топливо, то можно так отрегулировать подачу топлива, что давление в цилиндре будет постоянным и такой процесс подвода теплоты изобарным.

Рис. 10.2. Циклы ДВС: а- в р, v – координатах; б- в Т, s-координатах.

Чтобы цилиндр не был очень длинным, а ход поршня большим, адиабатное расширение 3-4 или 7-4 осуществляется не до давления р1, а до большей величины, при этом избыточное давление (р4- р1) теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяют изохорным отводом теплоты 4-1. Для идеального цикла отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания есть степень сжатия . (10.3.) Эта величина является основным параметром определяющим термический к.п.д. ДВС. Рассмотрим представленный рисунок. При более высокой степени сжатие выше температура, следовательно, изохора пойдёт выше 2 3 и соответственно

Отсюда больше цикле

Термический к.п.д. цикла ДВС увеличивается с ростом степени сжатия

Зависимость можно получить следующим образом. Рассмотрим цикл с на нашей диаграмме в При

Для адиабатного процесса известна зависимость При одинаковых показателях адиабатного расширения и сжатия имеем следующую зависимость Тогда для рассматриваемого цикла (10.4)

Рис. 10.3. Изменение термического к.п.д. ДВС с подводом теплоты при в зависимости от степени сжатия при различных значениях показателя адиабаты.

 

Увеличение к.п.д. ДВС с ростом степени сжатия объясняется тем, что растёт температура рабочего тела в цикле и соответственно уменьшаются потери эксергии.

Для ДВС для дизелей возможно достичь при одинаковых степенях сжатия ДВС с изохорным процессом подвода теплоты предпочтительнее дизеля. Это объясняется тем, что при одинаковых потерях в окружающую среду (т.е. теплота отданная холодному источнику), подведённое количество теплоты больше при изохорном процессе (это видно из диаграммы).

Достаточно велики потери эксергии из-за недорасширения газов до параметров окружающей срды. Эти потери удаётся сократить на газотурбинных установках.

 

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: