Термодинамические циклы газовых машин

Компрессор, машина, предназначенная для сжатия газов с целью повышения давления. По конструктивным признакам компрессоры подразделяют на объемные (компрессоры статического сжатия) и лопаточные (компрессоры динамического сжатия. Объемные компрессоры разделяют на два типа – поршневые и ротационные. Несмотря на большие конструктивные различия компрессоров разных типов, термодинамические принципы их действия аналогичны.

Процессы сжатия в компрессоре, процессы, представленные на pv-, Ts -диаграммах (см. рисунок): 1-2 s – адиабатный процесс; 1-2 Т – изотермический процесс; 1-2 n – политропный процесс при показателе политропы 1 < n < k. Процесс сжатия желательно проводить так, чтобы затраченная работа была минимальной, а температура в конце сжатия не очень высокой. Этим условиям удовлетворяет изотермический процесс 1-2 Т, поскольку площадь слева от процесса на pv- диаграмме (пл. 1-2 Т -3-4-1, равная располагаемой работе) минимальна, а температура неизменна. На практике для приближения к изотермическому процессу применяют охлаждение компрессора с отводом теплоты в окружающую среду. При этом реальное сжатие будет политропным 1-2 п. В некоторых технических устройствах, например, в газотурбинных установках, холодильных установках, применяют адиабатное сжатие 1-2 s.  

Работа, затраченная на сжатие газа в этих процессах (считая газ идеальным) l _тех и отведенная от цилиндра теплота q _ц, может быть рассчитана по формулам:

процесс 1-2 Т , q _ц = l _тех,

где р ₁, р ₂ – соответственно давление газа на входе и выходе из компрессора;

v ₁ – удельный объем газа на входе в компрессор;

процесс 1-2 s , q _ц = 0;

процесс 1-2 п , ,

где Т ₁, Т ₂ – соответственно температура газа на входе и выходе из компрессора;

  С _v – изохорная теплоемкость газа.

Многоступенчатое сжатие в компрессоре, процесс сжатия, протекающий последовательно в нескольких (до семи) ступенях. При этом между ступенями устанавливают промежуточные холодильники, в которых происходит изобарное охлаждение газа до начальной температуры. За счет уменьшения объема газа, в процессе охлаждения, экономится работа, затраченная на привод компрессора. Наибольшая экономия работы достигается если повышение давления в каждой ступени компрессора одинаково и определяется из условия , где р ₁ – давление газа на входе в ступень; р ₂ – давление на выходе из ступени; р_кон – давление на выходе из компрессора; р_нач – давление на входе в компрессор; z – число ступеней компрессора. Тогда работа многоступенчатого компрессора (с политропным сжатием):

, отводимая от цилиндров теплота: , теплота, отводимая в промежуточных теплообменниках: , где С_р – изобарная теплоемкость газа.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляют за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Топливом служит бензин, соляровое масло, газ. Наиболее распространены поршневые ДВС. Различают три основных вида циклов поршневых ДВС: цикл Отто, цикл Дизеля, цикл Тринклера.

Цикл Отто, цикл поршневых ДВС, в которых подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива при v = const. Точка 1 соответствует состоянию, когда цилиндр двигателя заполнен смесью топлива и воздуха предварительно приготовленной в карбюраторе. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие смеси. В состоянии 2 смесь поджигается от электрической свечи. Процесс 2-3 – изохорный подвод теплоты в результате сжигания топлива. Процесс 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания. Процесс 4-1 – изохорный отвод теплоты в окружающую среду (выхлоп). Термический КПД цикла определяют из выражения: , где e = v ₁/ v ₂ – степень сжатия; k – показатель адиабаты. С увеличением степени сжатия и показателя адиабаты термический КПД увеличивается.

Цикл Дизеля, цикл поршневых ДВС, в которых подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива при р = const. Точка 1 соответствует состоянию, когда цилиндр двигателя заполнен воздухом. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в цилиндре. В конце процесса температура воздуха превышает температуру воспламенения топлива. Топливо подают в цилиндр через воздушную форсунку в мелко распыленном виде. Подачу топлива регулируют так, чтобы процесс горения протекал при постоянном давлении. Процесс 2-3 – изобарный подвод теплоты в результате сжигания топлива. Процесс 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания. Процесс 4-1 – изохорный отвод теплоты (выхлоп). Термический КПД цикла определяют из выражения: , где r = v ₃/ v ₂ – степень предварительного расширения. С увеличением степени сжатия, показателя адиабаты и уменьшением степени предварительного расширения термический КПД увеличивается.

Цикл Тринклера, цикл поршневых ДВС, в которых подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива вначале при v = const, а затем при р = const. Точка 1 соответствует состоянию, когда цилиндр двигателя заполнен воздухом. Процесс 1-2 – адиабатное сжатие воздуха. В конце процесса температура воздуха превышает температуру воспламенения топлива. Топливо подают в цилиндр через механическую форсунку в мелко распыленном виде. Подачу топлива регулируют так, чтобы процесс горения происходил вначале изохорно – процесс 2-3, а затем изобарно – процесс 3-4. Процесс 4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания. Процесс 5-1 – изохорный отвод теплоты (выхлоп). Термический КПД цикла определяют из выражения: , где l = p ₃/ p ₂ – степень повышения давления. С увеличением степени сжатия, степени повышения давления, показателя адиабаты и уменьшением степени предварительного расширения термический КПД увеличивается.

Газотурбинная установка (ГТУ), тепловая машина, в которой подвод теплоты осуществляют в результате сжигания топлива в выносной камере сгорания, а работу получают в результате преобразования кинетической энергии продуктов сгорания на лопатках газовой турбины. Топливом служит керосин, газ. По способу организации подвода теплоты ГТУ разделяют на ГТУ с подводом теплоты при v = const и ГТУ с подводом теплоты при р = const. Наиболее распространены ГТУ с подводом теплоты при р = const.

Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты, цикл, представленный на рисунке. Газотурбинная установка состоит из компрессора К, камеры сгорания КС и газовой турбины ГТ. Работа, производимая ГТУ, идет на привод электрогенера
тора Г. Воздух из окружающей среды поступает в компрессор, где адиабатно сжимается до требуемого давления – процесс 1-2. В камере сгорания в результате сжигания топлива происходит изобарный подвод теплоты – процесс 2-3. Образовавшиеся продукты сгорания поступают в газовую турбину, где адиабатно расширяются в соплах (процесс 3-4), с увеличением кинетической энергии (скорости). Кинетическая энергия преобразуется на лопатках турбины в механическую работу вращения вала. Часть полученной работы идет на привод компрессора ГТУ, а часть на привод электрогенератора или другого устройства. Отработанные газы удаляют в окружающую среду (процесс 4-1 – изобарный отвод теплоты). Термический КПД цикла определяют из выражения: , где b = р ₂/ р ₁ – степень увеличения давления в компрессоре; k – показатель адиабаты рабочего тела (продуктов сгорания). С ростом степени увеличения давления и показателя адиабаты термический КПД увеличивается.

Необратимый цикл ГТУ, цикл, в котором процессы сжатия воздуха в компрессоре и расширения продуктов сгорания в турбине протекают с трением. Необратимость процессов сжатия и расширения учитывают с помощью внутреннего относительного КПД. Для компрессора , где l_к – теоретическая работа, затраченная на сжатие в компрессоре; l_к^д – действительная (с учетом трения) работа, затраченная на сжатие в компрессоре. Для турбины , где l_Т – теоретическая работа, полученная в турбине; l_Т^д – действительная (с учетом трения) работа, полученная в турбине.

Регенеративный цикл ГТУ, цикл, в котором воздух после компрессора изобарно подогревается за счет теплоты продуктов сгорания покидающих турбину. Применение регенерации приводит к уменьшению расхода топлива, уменьшению теплоты отводимой в окружающую среду и увеличению термического КПД цикла.