Тема 1.11 Термодинамический цикл теплосиловых установок.

Вопросы темы

Термодинамическая эффективность циклов теплосиловых установок. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Цикл газотурбинной установки. Циклы паротурбинных установок. Цикл Ренкина, изображение его в координатах PV и TS, термичный КПД. Пути повышения экономичности паросиловых установок и их использование на тепловых электростанциях. Удельный расход топлива. Парогазовые циклы. Холодильные установки.

Тепловые установки делятся на тепловые двигатели, в которых осуществляется прямой цикл (по часовой стрелке) с отдачей работы внешнему потребителю, и на холодильные установки, работающие по обратному циклу (против часовой стрелки) с затратой работы, подводимой извне.

В свою очередь тепловые двигатели можно разделить на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (д.в.с.), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и превращение его в работу происходит внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (г.т.у.) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где теплота сообщается рабочему телу в отдельном агрегате – паровом котле, а превращение теплоты в работу в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии и при относительно высоких температурах считаются идеальным газом.

Характерной чертой тепловых двигателей третьей группы является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные и фазовые изменения (жидкость, влажный пар, перегретый пар) и подчиняются законам реальных газов.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей приводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый), а затем реальный (необратимый) с учетом основных источников необратимости.

Степень совершенства теоретических циклов полностью характеризуется величиной термического к.п.д. η_t, который учитывает только неизбежную термодинамическую потерю q₂:

Эффективность реального необратимого цикла оценивается так называемым внутренним к.п.д.

где l_i – действительная работа в необратимом цикле.

Для установления степени необратимости цикла используют понятие относительного внутреннего к.п.д., представляющего собой отношение действительной работы l_i к теоретической l₀

и показывающего, насколько реальный цикл менее совершен, чем теоретический. Легко видеть, что

η_i = η_t η_oi.

Кроме необратимых потерь, учитываемых внутренним к.п.д., в теплосиловой установке имеется ряд других потерь (потери теплоты в окружающую среду и камерах сгорания и паропроводах, потери на трение в подшипниках, потери в генераторах и т.д.). Поэтому работа, переданная внешнему потребителю l_е меньше работы, полученной в цикле l_t. Отношение действительной полезной работы l_е, отданной потребителю, к количеству затраченной теплоты q₁, называется эффективным к.п.д. установки:

Таким образом, эффективный к.п.д. характеризует долю полезно используемой теплоты с учетом всех потерь и, следовательно, экономичность установки в целом.