ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Оптимизация рабочих циклов и процессов из "Термодинамика " Из этого вытекает следующий путь повышения эффективности тепловых двигателей и тепловых машин для увеличения термического к. п. д. теоретического цикла нужно приблизить этот цикл к циклу Карно, т, е. подводить и отводить теплоту изотермически. [c.523] Однако на практике подводить и отводить теплоту удобно, а в некоторых случаях только и возможно, при постоянном давлении. Это особенно ясно видно в случае отвода теплоты в окружающую атмосферу, имеющую практически постоянное давление. [c.523] В тех случаях, когда рабочее тело претерпевает в процессе цикла фазовые превращения (как это имеет место в паросиловых установках), подвод или отвод теплоты на тех участках цикла, где рабочее тело находится в виде влажного пара, осуществляется изотермически вследствие совпадения условий р = onst Т = onst. [c.523] Из сказанного следует, что приближение теоретического цикла к циклу Карно может достигаться различными способами в зависимости от того, является ли рабочее тело однофазным или двухфазным. [c.523] В качестве рабочих тел тепловых двигателей), процесс подвода теплоты может быть приближен к изотермическому, если он будет состоять из чередующихся процессов подвода небольшого количества теплоты при р = onst с последующим адиабатным расширением в небольшом интервале давлений (рис. 15.3). Такой процесс может быть осуществлен, например, в газовой турбине при ступенчатом сжигании топлива с последующим расширением продуктов сгорания в отдельных ступенях турбины. После расширения в одной из ступеней турбины рабочее тело подается в промежуточную камеру сгорания, где его температура за счет дополнительного сжигания топлива доводится до первоначальной. Чем больше таких ступеней и чем меньше расширение в каждой из ступеней, тем ближе кривая процесса, представляющая собой пилообразную линию, к изотерме. [c.524] Как уже отмечалось, цикл, изображенный на рис. 15.3, близок к обобщенному циклу Карно, в котором, как мы знаем из 5.8, имеет место регенерация теплоты. Это значит, что теплота, выделяющаяся при изменении состояния рабочего тела от высшей к низшей температуре вдоль нижней изобары, используется для перевода рабочего тела к высшей температуре вдоль верхней изобары. [c.524] Таким образом, для приближения цикла к циклу Карно необходимо адиабатическое расширение и сжатие рабочего тела осуществлять ступенями, с подводом или отводом теплоты между ними и, кроме того, применять в цикле регенерацию теплоты. [c.524] Что касается циклов с распадающимся на две фазы рабочим веществом, в частности циклов паросиловых установок, то иа том участке, где рабочее тело является влажным паром, изотермичность процессов подвода и отвода теплоты обусловливается поддержанием постоянного давления. Поэтому для процесса отвода теплоты, который лежит в области двухфазных состояний, ступенчатого сжатия не требуется. Для процесса подвода теплоты на том участке, где рабочее тело находится в виде перегретого пара, ступенчатый подогрев целесообразен, однако главным образом для повышения средней температуры рабочего тела на этом участке и увеличения степени сухости пара в процессе расширения (рис. 15.4). В этом случае также эффективна регенерация теплоты, которая осуществляется ступенчатым расширением пара в турбине (правая ветвь цикла) с отбором между ступенями части пара для подогрева жидкого рабочего тела. [c.524] Другим способом приближения цикла паросиловой установки к циклу Карно является использование нескольких рабочих веществ, каждое из которых применяется в интерва,ле между наивысшей и низшей температурами цикла, наиболее соответствующем физическим свойствам данного вещества. Подобный бинарный ртутно-водяной цикл изображен на рис. 15.5 (подробнее бинарные циклы рассматриваются в гл. 18). [c.524] В других случаях термический к. п.д. цикла увеличивается с приближением к форме цикла Карно монотонно, не проходя через максимум. [c.525] При оптимизации теоретического цикла необходимо учитывать изменение полезной работы цикла. Может случиться, что приближение формы цикла к форме цикла Карно приведет к уменьшению полезной работы. Это отчетливо видно на примере цикла с насыщенным паром (рис. 15.6) оптимизированный цикл 12р2 4, идентичный циклу Карно, характеризуется значительно меньшей полезной работой, чем первоначальный цикл 122 4, вследствие чего оптимизацию цикла с насыщенным паром не производят. [c.525] Так как в теоретическом цикле температура рабочего тела в процессе подвода теплоты всегда меньше температуры теплоотдатчика (например, горячих продуктов сгорания), то во всех случаях целесообразно, если только к тому имеется возможность, отдельные участки процесса нагрева рабочего тела проводить при возможно более высокой температуре. Также целесообразно использовать теплоту отходящих продуктов сгорания для первоначального нагревания рабочего тела на начальном участке цикла, когда температура рабочего тела ближе к температуре окружающей атмосферы. Из сказанного ясно, что оптимизация теоретического цикла состоит в таком изменении цикла, чтобы, во-первых, средняя температура подвода теплоты в цикле оказалась возможно более высокой, приближающейся к предельно допустимой для данной конструкции двигателя величине, а средняя температура отвода теплоты была бы возможно более низкой, приближающейся к температуре окружающей атмосферы во-вторых, конфигурация никла была бы по возможности близкой к форме обобщенного цикла Карно. В какой мере каждая из этих возможностей может быть реализована, зависит от конкретных условий. [c.525] Другая возможность для увеличения эффективного к. п. д. заключается в повышении внутреннего относительного к. п. д. двигателя ] . Но внутренний относительный к. п. д. зависит от степени необратимости составляющих цикла процессов это ясно из того, что, как было показано ранее. [c.526] Следовательно, для увеличения г),, нужно все процессы цикла, в результате которых производится полезная работа, осуществлять с минимальной степенью необратимости. Рассмотрим с этой точки зрения каждый из процессов цикла. Полезная работа цикла во всех без исключения тепловых двигателях производится в результате адиабатического расширения рабочего тела от наивысшего до наинизшего давления в цикле часть этой работы идет затем на сжатие рабочего тела для перевода последнего в начальное или исходное состояние цикла. Из этого следует, что для того, чтобы полезная работа была по возможности больше, необратимость процесса расширения, обусловленная главным образом потерями на трение, должна быть минимальной, а рабочее тело должно сжиматься так, чтобы затраты работы на сжатие были наименьшими. Малая потеря работы при расширении обеспечивается рациональной организацией процесса расширения и в частности хорошими профилями сопел, в которых расширяется пар или газ. [c.526] Для уменьшения работы сжатия требуется рациональная оргнизация процесса сжатия, что вообще представляет более трудную задачу по сравнению с расширением в частности, эффективным способом сжатия до высоких давлений, является применение нескольких ступеней сжатия. [c.526] Процессы подвода и отвода теплоты в реальных циклах являются, как говорилось выше, необратимыми. [c.526] В паросиловых установках необратимость процесса подвода теплоты обусловлена значительной разницей в температурах теплоотдатчика, которым являются горячие продукты сгорания топлива, и рабочего тела. [c.526] Необратимость отвода теплоты сопряжена с разницей температур рабочего тела и окружающей атмосферы, являющейся теплоприемником. [c.526] Из сказанного видно, что существуют различные способы, позволяющие более полно использовать располагаемый температурный интервал, т. е. нарастить цикл вверх. Не меньшее, практическое значение имеет рациональная организация процессов регенеративного теплообмена внутри цикла. [c.527] Регенерация теплоты является важнейшим средством, а в большинстве случаев и непременным условием оптимизации цикла. Поэтому весьма существенно, чтобы процесс регенерации происходил с минимальной степенью необратимости. Совершенно очевидно, что степень необратимости процесса регенеративного подогрева рабочего тела будет тем меньше, чем больше число регенеративных подогревателей. [c.527] Вернуться к основной статье