Тема 6. Циклы тепловых двигателей
6.1. Цикл Карно
- это круговой тепловой цикл подвода и отвода теплоты, состоящий из 2-х газотермических (t = const) и двух адиабатных (q = const) процессов
Рис.6.1 Цикл Карно
|
1-2 – изотермическое расширение, подвод теплоты q1 от горячего источника к рабочему телу (газу). 2-3 – адиабатное расширение при S1=const. Температура уменьшается от Т1 до Т2. 3-4 – изотермическое сжатие (при Т2=const), отвод теплоты q2 к холодному источнику. 4-1 – адиабатное сжатие при S2=const. Температура повышается от Т3 = Т2 до Т4 = Т1.
|
Заштрихована – работа А.
Для любого цикла основная характеристика – КПД (термический)
Для цикла Карно
Выводы: 1. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела и определяется только температурами Тг и Тх.
2. Цикл Карно (2 изотермы и 2 адиабаты) имеет наибольший термический КПД из всех известных циклов.
Т1 = 1000 оС = 1273 К Т2 = 20 оС = 293 К η=77 %
6.2. Цикл двс
Основные параметры цикла теплового двигателя:
- степень сжатия – отношение объемов воздуха в начале и конце сжатия.
Рис. 6.2. Цикл ДВС
|
Процессы в ДВС (рис.6.2): а-1 – всасывание в цилиндр смеси воздуха и паров топлива; 1-2 – адиабатное сжатие (2 такт); 2-3 – сгорание топлива, рост давления при V = const, подвод теплоты q1; 3-4 – адиабатное расширение, рабочий процесс, полезная работа; 4-1 – открывается клапан, газы выталкиваются в атмосферу, давление падает до атмосферного, изохора. |
Термический КПД этого цикла
ε –
степень сжатия (6-12);
-
показатель адиабаты, для воздуха k
= 1,077. С повышением ε
КПД повышается.
6.3. Цикл пту
Паротурбинная установка (ПТУ) – основа современных тепловых и атомных электростанций. Рабочая среда ПТУ – водяной (изредка другой) пар.
Принципиальная схема ПТУ состоит из следующих элементов (рис. 3.1): (шотландский инженер и физик Ренк в 1850-х годах)
1- паровой котел – устройство, в котором теплота сгорания органического или ядерного топлива преобразуется в водяной пар (с начало насыщенный); 2 – пароперегреватель – устройство для повышения температуры выше насыщения; 3 – паровая турбина – механизм, в котором потенциальная энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения ротора; 4 – электрогенератор, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую; 5 – конденсатор, в котором отработанный пар конденсируется и отдает тепло охлаждающей воде; 6 – конденсатный насос; 7 – теплый ящик; 8 – питательный насос.
Рис.6.3. Схема ПТУ
Основной цикл в паротурбинной установке – цикл Ренкина.
Процессы в цикле Ренкина на насыщенном паре (рис. 6.4):
Рис. 6.4. Цикл Ренкина
|
1-2 – процесс сжатия воды в питательном насосе – изохорный процесс; 2-3 – процесс нагрева воды в экономайзере (изобара); 3-4 – процесс кипения воды до состояния насыщения (изобарный процесс); 4-5 – работа пара в турбине (по адиабате); 5-1 – охлаждение и конденсация пара в конденсаторе, отвод теплоты q2 охлаждающей воде. |
Термический КПД цикла Ренкина
.
Обычно используют цикл Ренкина на перегретом паре, экономичнее.