9.7. Детандеры

Машины, в которых происходит расширение рабочих тел, для получения работы или охлаждения газов в холодильных установках называются детандерами. К таким машинам относятся также пневмодвигатели, паровые машины, паровые и газовые турбины (осевые или центростремительные).

Рабочие усилия в турбине возникают в связи с изменением кинетической энергии. Преобразование кинетической энергии в турбине происходит в каналах неподвижного соплового аппарата и на рабочих лопатках, расположенных на вращающемся диске турбины (в поршневой машине рабочее усилие создается давлением неподвижной массы газа или пара.)

Термодинамические основы расчета всех детандеров одни и те же, а цель расчета – определить работу, которая может быть получена от некоторого количества газа при заданных начальных и конечных параметрах рабочего тела.

Р абота детандера зависит (рис. 9.10) от процесса расширения газа. Здесь а-1 – процесс наполнения (рис. 9.10, а); 1-2' – процесс расширения газа; 2-b – процесс выталкивания. Совокупность рабочих процессов в детандере, как и в компрессоре, не представляет собой замкнутый термодинамический процесс (цикл). Наиболее выгодным по количеству затраченной работы будет изотермический процесс 1-2'. Однако изотермический процесс расширения трудно осуществить, и процессы в детандерах близки к адиабатным.

Адиабатная работа расширения 1 кг газа в детандере равна:

.

В то же время, полагая, что в адиабатном процессе pv^k = p₁ v^k₁ , и считая, что в детандере dp < 0, найдем:

Работа детандера при изотермическом процессе расширения равна:

.

Реализовать изотермический процесс расширения в детандере трудно, но можно приблизиться к нему, если в процессе многоступенчатого расширения от р₁ до р₂ подавать теплоту между ступенями (перегревом пара в пароперегревателе, установкой промежуточной камеры сгорания между ступенями газовой турбины).

Мощность детандера, т.е. количество работы, снимаемой с вала детандера в единицу времени, равно:

,

где N_d – мощность, кВт; G – расход газа через детандер, кг/с.

Мощность детандера зависит от конструктивных особенностей детандера, выбора рабочего тела, расхода через него. Наибольшие расходы допускают турбины; они способны развивать большие мощности при малых размерах. Совершенство работы детандера может быть оценено значением КПД:

,

где N_e – действительная мощность, снимаемая с вала детандера. Для современных детандеров (турбин) = 0,82 ...0,85.

И компрессоры, и детандеры являются основными агрегатами современных газовых теплосиловых установок.

9.8. Циклы поршневых двигателей

Назначение всякого теплового двигателя состоит в преобразовании теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых или газообразных топлив. Топливо может сжигаться вне тепловой машины – это так называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которых процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называют двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания (рис. 9.11) заключается в следующем. Горючая смесь (смесь топлива с воздухом) сгорает в цилиндре 1 (рис. 9.11, а) с повышением температуры и давления. Продукты сгорания, воздействуя на поршень 2, перемещают его из крайнего верхнего положения (верхняя мертвая точка – ВМТ) в крайнее нижнее (нижняя мертвая точка – НМТ).

Процессы сгорания и расширения дают в совокупности рабочий ход (такт поршня). Чтобы можно было повторить эти основные процессы в двигателе, отработавшие продукты сгорания нужно удалить из цилиндра и наполнить его свежей порцией горючей смеси. Это происходит за два (такта) хода поршня: прямой ход – выталкивание продуктов сгорания (рис. 9.11, 6) и обратный ход – всасывание воздуха или горючей смеси (рис. 9.11, в). Процессы выталкивания и всасывания осуществляются при соответствующем открытии выхлопного 5 (рис. 9.11, а) и всасывающего 3 клапанов, помещенных в головке цилиндра 4.

Во время четвертого хода поршня производится сжатие воздуха или горючей смеси (рис. 9.11, г), и затем все процессы повторяются. Таким образом, рабочий процесс периодичен, и каждый период складывается из четырех ходов поршня, производимых за два полных оборота коленчатого вала двигателя. Двигатели, работающие таким образом, называют четырехтактными. Двигатели, у которых процесс совершается за два х ода поршня (один оборот коленчатого вала), называются двухтактными. У них ход выталкивания и всасывания заменяется продувкой цилиндра, во время которой удаляются продукты сгорания и цилиндр заполняется воздухом или горючей смесью.

Р абочие процессы в двигателях исследуются с помощью особых приборов – индикаторов. Они позволяют получить индикаторные диаграммы, отображающие изменение давления в цилиндре двигателя. На индикаторных диаграммах по оси ординат (рис. 9.12) откладываются абсолютные давления внутри цилиндра, а по оси абсцисс – соответствующие этому давлению изменения объема или перемещения поршня (А–А – линия атмосферного давления).

Индикаторная диаграмма дает возможность исследовать совершенство рабочих процессов в двигателе и определить индикаторные параметры двигателя: работу, КПД, мощность, удельный расход топлива. На рис. 9.13 представлена теоретическая индикаторная диаграмма, на которой линией b–а изображен процесс всасывания, линией а–с – процесс сжатия; c–z – процесс горения при постоянном объеме; z'–z – процесс горения при постоянном давлении, z–e – процесс расширения продуктов сгорания, линией е–а–b – процесс выхлопа продуктов сгорания в атмосферу.

На теоретической индикаторной диаграмме процессы сжатия и расширения – это политропные процессы с показателями политроп n₁ = 1,3...1,38 и п₂ = 1,2...1,32, зависящими от теплообмена между рабочим телом и стенками двигателя. Процессы всасывания (b–a) и выталкивания (а–b) не являются термодинамическими, так как параметры рабочего тела при этом не изменяются.

Площадь под линией всасывания представляет собой работу всасывания (L_вс), а площадь под линией а–b – работу выталкивания (L_выт). Эти процессы направлены в разные стороны и сумма работ (L_вс + L_выт) равна нулю. Однако индикаторная диаграмма не является круговым обратимым термодинамическим процессом (циклом) и не дает возможности сравнительно просто определить изменение состояния рабочего тела в отдельных термодинамических процессах, из которых состоит цикл.

В основе работы двигателей внутреннего сгорания лежат идеальные круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу, т.е. идеальные циклы. Изучение их необходимо для оценки совершенства действительных тепловых процессов, происходящих в двигателях, а также факторов, влияющих на экономичность двигателя и развиваемую им работу.

При термодинамическом исследовании циклов полагают, что:

• циклы замкнуты (в действительности же продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело);

• рабочее тело в цикле – идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

• процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа, – обратимый процесс подвода теплоты q₁ извне;

• процесс уноса теплоты, содержащейся в продуктах сгорания, – обратимый процесс отвода теплоты q₂ от рабочего тела;

• механические потери, т.е. потери на трение и потери теплоты в окружающую среду (передача теплоты от стенок и унос теплоты охлаждающей водой), отсутствуют.

При таких предпосылках можно считать, что двигатели внутреннего сгорания работают по обратимым термодинамическим циклам. Термодинамическое исследование дает возможность определить принципы работы двигателей, параметры газа в характерных точках цикла, термический КПД и работу цикла. Термодинамические исследования циклов, как правило, сопровождаются графическим изображением их на pv- и TS-диаграммах.