Подвод теплоты в тепловых газовых машинах

Детальная информация

Группа: Анонимные пользователи

Аннотация

В пособии представлен механизм эффективного преобразования природной теплоты в полную энергию потока газа в камере сгорания тепловой машины в целях превращения этой энергии в работу расширения газа и получения механической работы. Создана теория тепломассообменных процессов. Даны методы расчета турбулентности потока, неравномерности и нестабильности полей температуры газа за камерой сгорания. Создан метод расчета нестационарных процессов в камере сгорания. Разработаны методики расчетов оптимальной геометрии проточной части камеры сгорания и ее характеристик. Обоснована необходимость согласования совместной работы компрессора, камеры сгорания и турбины. Приведен расчет стабилизации ударной волны подведенной за ней теплотой в целях преобразования в тепловой машине энергии детонационной волны. Пособие рассчитано на студентов и специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией тепловых газовых машин.

The authors present the mechanism of effective conversion of natural heat into the full energy of gas flow in the combustion chamber of the heat engine in order to turn this energy into the work of gas expansion and obtaining mechanical work. The authors created the theory of heat-mass exchange processes, provided methods for calculating the turbulence of the flow, non-uniformity, and instability of the gas temperature fields behind the combustion chamber. The manual presents the method for calculating non-stationary processes in the combustion chamber, and methods developed for calculating the optimal geometry of the flow channel of the combustion chamber and its characteristics. The necessity of coordination of joint work of compressor, combustion chamber, and turbine is justified. The authors come up with the calculation of shock wave stabilization by the heat supplied behind it for the purpose of detonation wave energy transformation in a heat engine. The manual is intended for students and specialists involved in design and operation of heat gas engines.

Источник

Details

Annotation

В пособии представлен механизм эффективного преобразования природной теплоты в полную энергию потока газа в камере сгорания тепловой машины в целях превращения этой энергии в работу расширения газа и получения механической работы. Создана теория тепломассообменных процессов. Даны методы расчета турбулентности потока, неравномерности и нестабильности полей температуры газа за камерой сгорания. Создан метод расчета нестационарных процессов в камере сгорания. Разработаны методики расчетов оптимальной геометрии проточной части камеры сгорания и ее характеристик. Обоснована необходимость согласования совместной работы компрессора, камеры сгорания и турбины. Приведен расчет стабилизации ударной волны подведенной за ней теплотой в целях преобразования в тепловой машине энергии детонационной волны. Пособие рассчитано на студентов и специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией тепловых газовых машин.

The authors present the mechanism of effective conversion of natural heat into the full energy of gas flow in the combustion chamber of the heat engine in order to turn this energy into the work of gas expansion and obtaining mechanical work. The authors created the theory of heat-mass exchange processes, provided methods for calculating the turbulence of the flow, non-uniformity, and instability of the gas temperature fields behind the combustion chamber. The manual presents the method for calculating non-stationary processes in the combustion chamber, and methods developed for calculating the optimal geometry of the flow channel of the combustion chamber and its characteristics. The necessity of coordination of joint work of compressor, combustion chamber, and turbine is justified. The authors come up with the calculation of shock wave stabilization by the heat supplied behind it for the purpose of detonation wave energy transformation in a heat engine. The manual is intended for students and specialists involved in design and operation of heat gas engines.

Источник

Двигатель с внешним подводом теплоты

При современном развитии техники остро стоит вопрос о необходимости создания энергетических установок, в которых могут быть использованы различные источники тепловой энергии, не загрязняющие окружающую среду и имеющие низкий уровень шума и вибрации. К перспективным силовым установкам можно отнести новый двигатель с внешним подводом теплоты. Изобретение может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта. Кроме того, его можно использовать в качестве привода электрических генераторов.

Конструктивно двигатель содержит четыре расширительных и четыре компрессионных цилиндра. Цилиндры расположены поочередно и параллельно, вокруг оси рабочего вала двигателя. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения выполнен в виде косой шайбы, как привод аксиально-поршневого насоса. Сгорание топлива происходит в теплообменной камере. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через теплообменные трубки. При сжатии рабочего тела осуществляется отвод теплоты через теплообменные трубки и охлаждение рабочего тела в охладителе (радиаторе). Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемо. Рабочее тело находится под большим давлением, порядка 40‑200 атм.

Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель.

К особенностям нового двигателя следует отнести:

1. Высокий КПД. Возможность получения высокого КПД, а следовательно, и большой экономичности является важной особенностью двигателя. Это связано с полным использованием перепада температуры и давления в цикле. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности, а также трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.

2. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе, позволяет применять различные тепловые источники без каких‑либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива, от твердых до газообразных, могут быть непосредственно использованы в двигателе. Для этого двигатель оборудуют камерой сгорания с рекуперативным теплообменником для подогрева воздушного заряда теплотой отработавших газов.

В городах с высокой интенсивностью движения для применения на транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель с тепловым аккумулятором.

3. Двигатель может работать не только на разнообразных топливах, но и дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве – как на подводных лодках, так и на спутниках.

4. Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и испарения его из системы питания. Двигатель работает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продуктов сгорания, и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.

Испарение топлива в атмосферу в двигателе значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как используется топливная система закрытого типа. Практически единственный источник токсичных веществ – продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.

Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода. Камеры сгорания двигателя подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгорания в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воздух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специальном подогревателе отработавшими газами.

Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя не имеют запаха и практически не содержат сажи.

Даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателя значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.

5. Низкий уровень шума и вибрации. Основными источниками шума в двигателях внутреннего сгорания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска и выпуска, механизм газораспределения, кривошипно-шатунный и вспомогательные механизмы (из‑за наличия зазоров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т.п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источники шума в двигателе отсутствуют, поэтому уровень шума, производимого работающим двигателем, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется.

Кроме того, давление в цилиндрах двигателя изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20‑30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.

6. Низкий расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгорания попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к выгоранию масла, а с другой – к его старению вследствие соприкосновения с горячими газами и деталями двигателя.

В предлагаемом двигателе масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкасается ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмоления масла. Вследствие этого в двигателе отпадает необходимость в периодическом добавлении масла. В принципе двигатель может проработать в течение всего моторесурса с первоначально заправленным маслом (если оно с течением времени не изменяет своих качеств под воздействием окружающей среды), которое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей большой и средней мощности это является важнейшим экономическим преимуществом (стоимость смазочного масла в 10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.

Попадание масла в рабочие полости двигателя крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как изменяются свойства рабочего тела и, как следствие, эффективный КПД двигателя. Поэтому в двигателе применяются несмазываемые поршневые кольца. Смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агрегатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применяются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.

7. Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой температуре. Предлагаемый двигатель, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко запускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсункой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.

8. Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как рассматриваемое устройство – двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из‑за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного заряда) и в ее распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначительна.

9. Работа с кратковременными перегрузками. Моторесурс двигателей определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления предела ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные перегрузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.

В общем случае любой двигатель может гарантированно выдерживать кратковременную 50‑80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности.

10. Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в двигателе замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом он должен происходить при возможно более низких температурах. Поэтому количество теплоты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных КПД. Следовательно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.

Источник

Газотурбинные установки (ГТУ) – тепловые машины, в которых тепловая энергия газообразного рабочего тела преобразуется в механическую энергию. Сама газовая турбина, камера сгорания, и компрессор являются основными компонентами. Существует комплекс вспомогательных систем, объединенных между собой, который служит непосредственно для обеспечения работ и управления в установке. Газотурбинный агрегат называется ГТУ в совокупности с электрическим генератором. Для того чтобы выработать мощность в двадцать киловатт до десятка мегаватт, всего потребуется одна наша установка. Такие установки можно назвать классическими.

Описание и устройство ГТУ

Из истории создания

Первый патент на устройство получил англичанин Джон Барбер в 1791 году., но так и не получил широкого применения в массовом производстве. Идея использовать энергию горячего газового потока и была в основе его устройства. Устройство Барбера состояло из воздушного и газового компрессоров, из камеры сгорания и турбинного колеса, то есть все те же составляющие, что и в современных ГТУ.

Многие ученые и изобретатели во всем мире и в 19 и 20 веках пытались найти практическое применение установки, но все безуспешно. Развитие науки и техники в те года желало быть лучше. Опытные образцы могли выдавать только 14 процентов полезной мощности. Конструктивная сложность и эксплуатационная надежность были очень низки.

В 1939 году впервые использовали газотурбинную установку на электростанции в Швейцарии. Электростанция с простейшим турбогенератором мощность которого была 5000кВт. В 50-ых годах этот проект был усовершенствован, что позволило увеличить мощность до 25 МВт и соответственно поднять КПД. Сейчас же производство газотурбинных установок во всех развитых странах находится на едином уровне. Только в Советском союзе и России суммарная мощность выпущенных ГТУ может исчисляться уже миллионами кВт.

Принцип работы газотурбинных установок

Воздух из атмосферы начинает поступать в компрессор, далее он сжимается под воздействием высокого давления и отправляется в камеру сгорания, в сжатом состоянии через воздухонагреватель и воздухораспределительный клапан. Одновременно с воздухом в камеру сжигания происходит попадание газа через форсунки, который и сжигается в воздушном потоке. По мере сгорания газа и воздуха, что образует поток раскаленных газов, этот поток и начинает действовать с огромной скоростью на лопасти газовой турбины, и они начинают вращаться. Тепловая энергия преобразовывается в механическую энергию, которая и приводит к вращению вала турбины. Вал турбины воздействует на компрессор и электрогенератор, они начинают свою работу. И уже с клемм генератора электроэнергия отправляется в потребительскую сеть через трансформатор.

Через генератор горячие газы поступают в водогрейный котел, дальше проходят в дымовую трубу через утилизатор. Циркуляция воды организованна между ЦТП (центральным тепловым пунктом) и водогрейным котлом с помощью сетевых насосов. Горячая вода поступает в ЦТП, а далее уже непосредственно потребителю.

Весь термодинамический цикл ГТУ состоит:

Когенерация

Производство электричества с одновременной выработкой сопутствующей тепловой энергии называется когенерацией. Эта технология значительно повышает экономическую эффективность в использовании топлива. Наша газотурбинная установка может быть дополнительно оснащена водогрейными или паровыми котлами, это хорошая возможность получить дополнительно пар или же горячую воду.

Когенерация достигает максимальный экономический эффект, когда оптимально использованы два вида энергии. При этом коэффициент использования топлива равен 90 процентов.

Четыре ключевые части системы когенерации, она состоит из:

Управление

Существует два основных режима эксплуатации газотурбинных установок

Достоинства и недостатки

Достоинства газовых турбин:

Экология

Безусловно огромный плюс в практическом применении наших установок, это минимальное количество вредных примесей в выбросах., что позволяет строить ГТУ вблизи места проживания населения.

Не нужно строить дымовые трубы и тратиться на приобретение катализаторов.

Стоимость газотурбинных установок высока, о если поближе познакомиться с этими установками, их техническими характеристиками, стоит задуматься на нашим выгодным предложением.

На старте энергетических проектов высокие капиталовложения полностью компенсируются при последующей эксплуатации незначительными расходами. Значительное уменьшение платежей по экологии, уменьшены платежи за электроэнергию и тепловую энергию.

Ежегодно у нас приобретают и устанавливают сотни новых газотурбинных установок.

Получите информацию по стоимости микрогазовой турбины МГТУ мощностью 60-200 кВт, связавшись с нашим отделом продаж по телефону +7 (351) 737-01-53

Источник

8 Термодинамические циклы газовых машин

1 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): 1-2s – адиабатный процесс; 1-2Т – изотермический процесс; 1-2n – политропный процесс при показателе политропы 1

где Т₁, Т₂ – 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 р₁ – давление газа на входе в ступень; р₂ – 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 = v₁/v₂ – 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 = v₃/v₂ – 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 = p₃/p₂ – 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 = р₂/р₁ – 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.

Источник