Жылуэнергетикалық қондырғылар циклдарының термодинамикалық негіздері

Дәріс 8

2 Іштен жану қозғалтқышының циклы

3 Газотурбиналық қоңдырғының циклы

4 Қозғалтқыштардың термиялық ПӘК-і.

Компрессор цилиндрдан, қисықшинды шатундық механизм көмегімен вал арқылы қозғалысқа келетін, поршеньнен тұрады. Компрессор валы электрлік немесе қандай-бір басқа қозғалтқыш арқылы айналады. Цилиндр поршеньде екі қақпақ орналасқан: сорушы және шығарушы. Қақпақтар цилиндр мен түтік өткізгіштердегі қысымдар айырмасының әсері нәтижесінде ашылады және жабылады.

Поршень оңға қарай қозғалғанда цилиндрға қоршаған ауа сорылады, ал кері қозғалғанда, сорышу қақпақ жабық болады – оның сығылуы керекті қысымға дейін, осыдан кейін шығарушы қақпақ ашылады және тұрақты қысымда сығылғын ауа резервуарға шығарылады.

Сығылуға жұмсалатың жұмысты анықтау үшін компрессордың термодинамикалық есебін жасайды да, айдаушы қозғаушының қуатын табады.

Барлық процесстер қайтымды және газдың кинетикалық энергиясының өсiмшесi болмаған кезде сығылған газды алу үшін жұмсалатын меншікті жұмысын мына формуламен анықтайды:

,

(1)

мұндағы - цилиндрді газбен толтырған кездегі қоршаған ортаның жұмысы;

- газды итеріп шығаруға жұмсалатын жұмыс;

- газды сығылу жұмысы.

Компрессордағы сығылу процессі жұмыс дене мен цилиндр қабырғалар арасындағы жылуалмасу шарттарға байланысты изотерма, адиабата және политропа сызықтарымен жүргізіледі.

Энергетикада ПӘК-тің мәні - пайдалы қолданылған энергияның барлық жұмсалған энергияға қатынасы деп айтылады. Пайдалы қолданылған энергияның пайызы жоғары болса, ПӘК та жоғары болады. Сондықтан компрессорлы машиналарға сондай ПӘК-тің мәні қолайсыз болады.

Жоғарғы қысымдар аулу үшін көпсатылы компрессорлар қолданылады. Газ немесе ака аралық салқындатулары бар тірнеше тізбекті ретпен сығылады.

Сорышу қақпақ арқылы поршень төмен қоғалғанда газ цилиндрға (төменгі қысымды цилиндрға) сорылады. Поршень кері жүргенде газ сығылады. Газ сығылғаннан кейін шығырушы қақпақ арқылы тоңазытқышқа келеді, оның ішінде сумен салқындатылған қисық түтік орнатылған. Тоңазытқыта салқындатылған ауа екінші цилиндрға сорушы қақпақ арқылы поргень төмендегенде келеді. Поршень көтерелгенде газ сығылады. Екінші сатыда сығылған кейін ауа шығарушы қақпақ арқылы пайдаланушыға бағытталады. Поршеньдер иінді біліктен және шатундар көмегімен қозғалысқа келтіріледі.

Іштен жану қозғалтқыштар түрлі жұмыс принциптегі циклдарын, негізгі үш түрге бөлуге болады:

- көлемі тұрақты болғанда жылу келтіру ІЖҚ циклы (Отто циклы);

- қысымы тұрақты болғанда жылу келтіру ІЖҚ циклы (Дизель циклы);

- және кездегі аралас жылу келтіру ІЖҚ циклы (Тринклер циклы).

Поршеньдік ІЖҚ идеалды циклдарын зерттеген кезде анықталатын шамалардың санына жылудың мөлшері, циклдағы нүктелерді сипаттайтын негізгі параметрлердің күйі, циклдың термиялық ПӘК кіреді.

Іштен жаңу қозғалтқыштың кез келген циклдың негізгі сипаттамалары: сығылу дәрежесі ;

қысымды көтеру дәрежесі ;

алдынала ұлғаю дәрежесі .

Цикл Отто (суреттер 1, 2) қозғалтқыштарында жеңіл және ғаздық жанармайларда істейтін моторларда қолданлады.

Сурет 1 – - диаграммадағы изохорлы жылу келтіру поршеньдік ІЖҚ теоретикалық циклы (Отто циклы)

Сурет 2 – - диаграммадағы изохорлы жылу келтіру поршеньдік ІЖҚ теоретикалық циклы (Отто циклы)

Бұл циклының параметрлері сығылу дәрежесі және қысымның арту дәрежесі болады.

Отто циклының термиялық ПӘК:

.

(2)

Дизель циклы – бул компрессорлы ІЖҚ дизельдің циклы.

Қозғалтқыштарда сығылудың жоғары дәрежелерін қолдануға ұмтылу, олардың жаңа жұмыс принципына әкелді. Біріншіден, оларда ауа мен жанармай бөлек сығылатын (ауа – қозғалтқыш цилиндрында, сұйық – жанармай насоста) болды; екіншіден, тұрақты қысымда жану.

Бұл қозғалтқыштар былайша жұмыс істейді. Поршеньнің бірінші жүрісінде қозғалтқыш цилиндрына, екінші жүрісте жоғары сығылу дәрежесінде, 34-36 ата қысымға және 600-800 С температураға дейін сығылатын ауа сорылады. Сығылу соңында цилиндрға форсунка арқылы шашыратылған күйде температураға сығылған ауа ортасында түсіп, жанады және тұрақты қысымда форсунка әсері бар кезге дейін жана береді. Осыдан кейін жану өнімдері ұлғаяды да, шығарылып тасталады. Тұрақты қысымды жарамайдың жануы форсунканың сәйкес жұмысымен түсіндіріледі.

Изобаралық жылу келтірілетін қозғалтқыштар циклы 1-2 – газдың адиабаталық сығылуынан, 2-3 – газға изобаралық жылу келтірілуінен, 3-4 – адиабаталық ұлғаюдан және 4-1 – газдан жылудың изохоралық алынуынан тұрады.

Бұл циклыдың параметрлері сығылу дәрежесі және алдынала ұлғаю дәрежесі болады.

Дизель циклының термиялық ПӘК:

.

(3)

Цикл Тринклера - компрессорсыз дизель циклы. Жылуы аралас келтірілетін цикл.

Компрессорлы қозғалтқыштардың ұмысың жақсартуға және қарапайым етуге ұмтылу, 30,0 – 40,0 МПа қысымда жанармайды механикалық шашырату жүзеге асырылатын, компрессорсыз қозғалтқыштардың жасалуына әкелді.

Осы жоғарғы қысымдарға дейін насоста сығылатын сұйық жанармай форсункаға келеді, оның көмегімен шашыратылған түрде цилиндрға еңгізіледі.Тұтану температурасынан әлдеқайда жоғары температурадағы сығылған ауа ортасына түсіп, жанармай тұтанады да және қозғалтқыш цилиндрына енгізіліп тұрған кезде жанады. Жану камерасындағы қысым алдымен артып, сосын тұрақты болатындай етіп ұйымдастырылған.

Сурет 5 – - диаграммадағы жылу аралас келтірілетін поршеньдік ІЖҚ теоретикалық циклы (Тринклер циклы)

Бұл циклдың параметрлері: сығылу дәрежесі , қысымнан арту дәрежесі, алдынала ұлғаю дәрежесі.

Тринклер циклының термиялық ПӘК:

.

(4)

Газотурбиналық қоңдырғылары (ГТҚ) бірнеше агрегаттардан тұрады, олардың негізгілері: ауаны сығып, жану камерасына жіберетін компрессор; немесе кезінде жану процестері өтетін жану камерасы және газ турбинасы. Газ турбинасы өз алдына бірнеше бөліктерден тұрады: соплолар, шетіне радиалды күрекшелер орнатылған турбина дискілері. Әрбір көршілес күрекшелер жұбы, турбина жұмыс істегенде газ өтетін қисықсызықты канал құрайды.

Газ турбиналары тұрақты қысымда және тұрақты көлемде жанармайы жанатын турбиналарға бөлінеді.

Тутбина валында энергияның жұмысқа айналу процессі келесідегідей жүреді: жоғары температура мен қысымдағы газ, жану камерасынан (сұйық немесе газ тәріздес жанармай жанатын) турбина соплоларына келеді, онда энтальпия (жылу ұстауы) азаюы есебінен оның сыртқы кинетикалық энергиясы артады. Сонда кейін газ, жоғары жылдамдықпен соплодан шығып, турбина күрекшелері құратын қисықсызықты каналдар арқылы өтеді, соларда өзінің ішкі кинетикалық энергиясы есебінен жұмыс жасайды. Газ қисықсызықты каналдан өткенде, оның бағыты мен жлдамдығының өзгеруі нәтижесінде күрекшелерге қысым түседі, ол турбина роторын айналдырады.

Қысымы тұрақты кезіндегі жылу келтіру циклы (сурет 7, 8) газотурбиналық қоңдырғының негізгі циклы.


Сурет 7 – - диаграммадағы изобаралы жылу келтіру

ГТҚ теоретикалық циклы

ГТҚ теоретикалық циклы

Циклдың параметрлері адиабаталық сығылудағы қысымның арту дәрежесі мен алдынала ұлғаю дәрежесі болады.

Жылуы изобаралық келтірілетін ГТҚ-ның циклының термиялық ПӘК:

.

(5)

Жылу тұрақты көлемде келтірілетін ГТҚ-ның циклы

ГТҚ-ң тұрақты көлемде жанармайы жеке процестері қарастырылғаннан периодты түрде жүзеге асырылытындығымен ерекшеленеді. Бұл процестерді жүзеге асыру үшін, жану камерасына үш қақпақ орнату керек: жанармайлы, ауалы, соплолы. Жанармай жанғанда ауалы мен соплолы қақпақтар жабық сондықтан бұл процесс тұрақты көлемде өтеді.


Сурет 9 – - диаграммадағы изохоралы жылу келтіру

ГТҚ теоретикалық циклы

Цикл параметрлері адиабаталық сығылу процесінде газ қысымының арту дәрежесі мен изохоралық 2-3 процестегі қысымның арту дәрежесі .

Жылуы изохоралық келтірілетін ГТҚ-ның циклының термиялық ПӘК:

.

(6)

Сурет 10 – - диаграммадағы изохоралы жылу келтіру

ГТҚ теоретикалық циклы

2 Компрессордың жұмыс істеу принципі?

3 Компрессордағы изотермиялық, адиабаталық және политропты сығылу процестерін көрсетініз.

4 Жұмыс дененің изотермиялық, адиабаталық және политропты сығылуы кезінде компрессордың жұмысы қалай табылады?

5 Көпсатылы сығылуы кезіндегі жұмысты қалай табады?

6 Термодинамикалық диаграммаларда поршеньді Іштен жану қозғалтқышының изохоралы жылу келтірілетін циклын көрсетініз

8 Іштен жану қозғалтқышының изохоралы жылу келтірілетін циклын ПӘК-ің қалай анықтайды?

9 Термодинамикалық диаграммаларда поршеньді Іштен жану қозғалтқышының изобаралы жылу келтірілетін циклын көрсетініз

10 Іштен жану қозғалтқышының изобаралы жылу келтірілетін циклын ПӘК-ің қалай анықтайды?

11 Термодинамикалық диаграммаларда поршеньді Іштен жану қозғалтқышының жылу аралас келтірілетін циклын көрсетініз.

12 Іштен жану қозғалтқышының жылу аралас келтірілетін циклын ПӘК-ің қалай анықтайды?

13 Термодинамикалық диаграммаларда поршеньді Газотурбиналық қоңдырғының изохоралы жылу келтірілетін циклын көрсетініз

14 Газотурбиналық қоңдырғының изохоралы жылу келтірілетін циклын ПӘК-ің қалай анықтайды?

15 Термодинамикалық диаграммаларда поршеньді Газотурбиналық қоңдырғының изобаралы жылу келтірілетін циклын көрсетініз

16 Газотурбиналық қоңдырғының изобаралы жылу келтірілетін циклын ПӘК-ің қалай анықтайды?

17 Газотурбиналық қоңдырғының термиялық ПӘК-ің көтеру әдістері қандай білісіз?

2 Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». – М.: Высшая школа, 1980. – б.3-15

3 Асамбаев А.Ж. «Техникалық термодинамиканың негіздері» - 2006. – б.4-16

4 Баскаков Б.В., Берг О.К., Витт и др. «Теплотехника» - М.: Энергоатомиздат., 1991. – б. 4-11, б. 40-41

5 Энергетиканың электрондық энциклопедиясы.