МГД - генератор основан на принципе движения ионизированного потока газа (при высокой температуре) между полюсами сильного электромагнита (т.е. плазма пропускается через магнитное поле). Плазма возникает в результате ионизации атомов, из-за отрыва одного или нескольких электронов. Получить плазму можно различными способами:
1 нагревая газ до высоких температур электрической дугой;
2 электрическим высоковольтным разрядом;
3 электромагнитной высокочастотной индукцией;
4 бомбардировкой частицами при низком давлении.
Принципиальная схема МГД - генератора имеет вид:
1- камера сгорания; 2- специальные шины; 3- канал МГД – генератора; 4- трубчатый генератор тепла; 5- компрессор для подачи воздуха; 6- пароперегреватель; 7- паровая турбина;
8- конденсатор; 9- насос; 10- трубчатый паровой котел;
11- электрогенератор
Рисунок 10 - Схема МГД - генератора
Топливо поступает в камеру сгорания 1, сюда же подается воздух, который предварительно проходит через трубчатый генератор тепла 4. В камере сгорания температура продуктов сгорания топлива составляет 3000...3030 0С. Затем продукты сгорания поступают в канал МГД - генератора постоянного тока 3, где расширяются до атмосферного давления со снижением температуры до 2400 0С. Для отвода получаемого электрического тока в МГД - генераторе устанавливают две специальные шины 2. Затем горячие газы омывают воздухоподогреватель 4, воздух в который подается компрессором 5. Так как температура этих газов остается всё ещё значительной, то на пути их движения в установку включена паросиловая часть (т.е. паротурбинная установка). Она работает следующим образом: предварительно в трубчатый паровой котёл подаётся специально подготовленная вода. Проходя по змеевику 10, она превращается во влажный пар, отнимая тепло от горячих газов. Затем этот влажный пар поступает в пароперегреватель 6, где он превращается в перегретый пар. Затем этот перегретый пар проходит сопловой аппарат и попадает на лопатки турбины 7, вращая колесо турбины, а, следовательно, и вал турбины. На валу турбины находится компрессор 5 и электрогенератор 11, вырабатывающий дополнительную электроэнергию. После выхода из турбины 7, пар (или конденсат) проходит через конденсатор 8 и затем насосом вновь подается в трубчатый паровой котел 10. Использование тепла уходящих газов из МГД - генератора может увеличить 
до 60% и более.
Проблемы, которые не позволяют широко использовать МГД - генераторы:
1. Электроды для отбора электрического тока должны иметь очень высокую температуру ≈ 2700 0С, поэтому возникает проблема сохранения целостности магнитогидродинамического канала (т. е. необходимы высокотемпературные тугоплавкие материалы).
2. Необходимость создания мощного магнитного поля, так как плазма обладает относительно малой электропроводимостью и сравнительно небольшой скоростью её движения по каналу МГД- генератора.
Вопросы для самопроверки
1 Каково назначение МГД - генератора?
2 Какие существуют методы получения плазмы?
3 Какой газ называется низкотемпературной плазмой?
4 Какие преимущества имеет МГД – генератор перед газотурбинной установкой?
5 Как используется в МГД – генераторе теплота уходящих газов?
6 Почему МГД – генераторы не нашли широкого применения?
Компрессоры
Компрессор - это машина, предназначенная для сжатия и перемещения различных газов. Компрессоры используются в химической, машиностроительной, металлургической, горнорудной и др., на железных дорогах, в авиации, в ГТУ и т.д.
Все компрессоры, в зависимости от конструктивного оформления и принципа работы, подразделяются на две группы:
- поршневые
- турбинные (центробежные)
Однако, термодинамика процессов сжатия в них одинакова. Процессы в них описываются одними и теми же уравнениями. Поэтому рассмотрим работу наиболее простого одноступенчатого компрессора (поршневого).
Рисунок 11 - Поршневой компрессор
Компрессор состоит из цилиндра 1 с пустотелыми стенками, в которых циркулирует охлаждающая вода, и поршня 2, связанного кривошипно-шатунным механизмом с электродвигателем или другим источником механической работы. В крышке цилиндра в специальных коробках помещаются два клапана: всасывающий 3 и нагнетательный 4, которые открываются автоматически под действием изменения давления в цилиндре.
Рабочий процесс компрессора совершается за один оборот вала (или два хода поршня). При ходе поршня вправо открывается всасывающий клапан и в цилиндр поступает рабочее тело - газ. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается, происходит сжатие газа до требуемого давления и нагнетание его в резервуар.
Рассмотрим работу теоретического одноступенчатого компрессора.
Примем допущения:
1 Геометрический объём цилиндра равен рабочему объёму, т.е. отсутствует вредное пространство.
2 Отсутствуют потери работы на трение поршня о стенки цилиндра.
3 Отсутствует дросселирование в клапанах.
4 Всасывание газа и его нагнетание происходят при постоянном давлении.
Покажем цикл компрессора в P-V диаграмме.
Рисунок 12 - Циклы компрессора в P-V диаграмме
Линии а-1 и 2-3 не являются процессами, так как состояние рабочего тела в них не изменяется, а изменяется его количество.
Найдём затраченную работу L на получение 1кг сжатого газа (без учета трения).
(60)
где p1v1 --работа, производимая внешней средой при
заполнении цилиндра газом;
p2v2 - работа, затраченная на выталкивание газа.
Процесс сжатия в компрессоре может осуществляться по изотерме (1-2), по адиабате (1-21), по политропе (1-2”). Затраченная работа в каждом из этих случаев сжатия газа будет различной.
При изотермическом сжатии (1-2)
и имеет наименьшую величину. Здесь вся энергия, подводимая в форме работы, отводится от газа в форме теплоты.
Сжатие по адиабате (1-21) даёт наибольшую площадь:
и, следовательно, наибольшую затрату работы.
При политропном сжатии величина работы принимает промежуточное значение:
Таким образом, чтобы уменьшить работу сжатия, необходимо процесс сжатия приблизить к изотермическому. Поэтому в реальном компрессоре и применяют охлаждение водой, которая протекает через рубашку компрессора, образуемую полыми стенками цилиндра. Охлаждение дает возможность сжимать газ до более высоких давлений в политропном процессе при n = 1,18...1,2. У компрессоров малой производительности при небольших давлениях сжатого газа стенки цилиндра делают ребристыми. Ребра обдуваются воздухом и, тем самым, цилиндр охлаждается.
Многоступенчатый компрессор
Многоступенчатые компрессоры применяются для получения газа высокого давления. В них сжатие газа осуществляется в нескольких последовательно соединенных цилиндрах, с промежуточным охлаждением газа после его каждого сжатия. Промежуточное охлаждение газа улучшает условия смазки поршня в цилиндре и уменьшает расход энергии на привод компрессора. При этом рабочий процесс приближается к изотермическому (наиболее выгодному).
Покажем идеальную индикаторную диаграмму 3х ступенчатого компрессора.
0-1 линия всасывания в первую ступень;
1-2 политропный процесс сжатия в первой ступени;
2-а линия нагнетания из первой ступени в первый охладитель;
а-3 линия всасывания во вторую ступень;
3-4 политропный процесс сжатия во второй ступени;
4-в линия нагнетания из второй ступени во второй охладитель;
в-5 линия всасывания в третью ступень;
5-6 линия сжатия в третьей ступени;
6-с линия нагнетания в резервуар.
Рисунок 13 - Идеальная индикаторная диаграмма
Охлаждение газа во всех охладителях производится до температуры Т1, поэтому: Т3 = Т5 = Т1
Отношение давлений во всех ступенях обычно берется одинаковым:
(61)
где Z - число ступеней.
Вся работа на привод 3х ступенчатого компрессора при
политропном сжатии газа определяется (для 3х ступенчатого):
Если бы сжатие проводилось в одноступенчатом компрессоре, то работа была бы равна:
т.е., как следует из диаграммы P-V
Покажем в T-S диаграмме процессы сжатия в 3х ступенчатом компрессоре.
Рисунок 14 – Адиабатное сжатие в ступени
Рисунок 15 - Политропное сжатие газа в ступени
При политропном и адиабатном сжатии газа в каждой ступени в охладителях отводится одно и то же количество теплоты.
Вопросы для самопроверки
1 Каково назначение компрессора?
2 В чем отличие одноступенчатого компрессора от многоступенчатого?
3 Какие процессы возможны при сжатии газа в компрессоре?
4 Какой процесс сжатия является наивыгоднейшим и почему?
5 При каком процессе в компрессоре затрачивается наибольшая работа?
6 Какими уравнениями определяется работа на привод компрессора при изотермическом, адиабатном и политропном сжатии рабочего тела?
7 Почему нельзя получить газ высокого давления в одноступенчатом компрессоре?
8 Как изображается в P-V диаграмме идеальная индикаторная диаграмма 3 х ступенчатого компрессора?
9 Как изображается в T – S диаграмме адиабатное и политропное сжатие газа в ступени?
Тепловой насос
Это - установка, при помощи которой теплота низкого потенциала, забираемая из окружающей среды с помощью затраченной извне работы, при более высокой температуре отдаётся внешнему потребителю (т.е. работает по циклу холодильных установок).
1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 - дроссельный вентиль
Рисунок 16 - Схема теплового насоса
Работа теплового насоса состоит в следующем: за счет теплоты источника с низкой температурой в испарителе происходит процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой кипения (фреон, аммиак). Полученный пар направляется в компрессор, в котором его температура повышается. Затем пар поступает в конденсатор, где отдаёт своё тепло жидкости, например, циркулирующей в системе отопления.
Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дроссельный вентиль, где происходит снижение его давления и, соответственно, температуры. И рабочее тело вновь поступает в испаритель.
Такая схема может успешно работать, например, на Дальнем Востоке, где имеется огромное количество горячих природных источников.
Целесообразно её применять в стационарных ДВС. Здесь в качестве источника теплоты с низкой температурой можно использовать воду, которая охлаждает цилиндры двигателя.
Можно использовать и тепло воды, которая охлаждает цилиндры компрессорной установки.
Характеристикой совершенства работы теплового насоса будет:
(62)
где q1 - теплота, отданная внешнему потребителю;
l - затраченная работа в компрессоре;
q2 - теплота, полученная фреоном в испарителе.
Покажем на примере эффективность работы теплового насоса.
Если установка работает по обратному циклу Карно, то при Т2 = 280 К и Т1 = 350 К, отсюда
т.е. передаётся теплоты в 5 раз больше, чем затрачивается работы.
Вопросы для самопроверки
1 Каково назначение теплового насоса?
2 Каков принцип действия теплового насоса?
3 В каких случаях целесообразно применять тепловой насос для отопления зданий?
4 Какие преимущества имеет тепловой насос по сравнению с непосредственным использованием электроэнергии для отопления?
5 Что такое отопительный коэффициент, как он вычисляется?
Эжектирование
Эжектирование - процесс приведения в движение газа под действием разрежения. Это разрежение создаётся другим газом, движущимся с большой скоростью. Газ, который создаёт разрежение, называется эжектирующим (активным), а газ, который приводится в движение - эжектируемым (пассивным).
В процессе эжектирования в результате турбулентного смешения газов происходит выравнивание скоростей и параметров этих газов.
Различают:
1 - эжекторы (струйные вентиляторы).
2 - инжекторы (струйные насосы и компрессоры).
Рассмотрим принципиальную конструкцию эжектора:
1 - сопло высоконапорного эжектирующего газа (активного).
2 - сопло низконапорного эжектируемого газа (пассивного).
3 - камера смешения, которая бывает цилиндрической или прямоугольной.
4 - диффузор.
Рисунок 17 - Конструкция эжектора
- В эжекторе количество эжектирующего газа меньше, как правило, эжектируемого. Статическое давление их смеси на выходе равно давлению окружающей среды. Эжекторы находят применение для вентиляции помещений, для удаления из различных установок отработавших газов и т. д.
- В инжекторах количество эжектирующего газа обычно больше, чем эжектируемого. Он предназначен для повышения давления газов и паров, для нагнетания жидкости в резервуары и различные устройства. По устройству и принципу действия эжекторы и инжекторы практически одинаковы.
Вопросы для самопроверки
1 Какой процесс называется эжектированием?
2 Какой газ называется эжектирующим?
3 Какой газ называется эжектируемым?
4 Какова принципиальная конструкция эжектора?
5 В чем принципиальное отличие эжектора от инжектора?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Теплотехника. Учеб. для вузов /В.Н.Луканин, М.Г. Шатров, Г.М.Камфер и др.; под ред. В.Н.Луканина - 3-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 2002. - 671 с.
2 Теплотехника: учебник для втузов /Под общей ред. А.М.Архарова, В.Н.Афанасьева - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2004. - 712 с.
3 Техническая термодинамика и теплотехника: учебн. пособие для вузов /Под ред. А.А.Захаровой - М.: Издательский центр«Академия», 2006. - 272 с.
4 Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача - М.: Высшая школа, 1986. - 480 с.
5 Жуковский В.С. Термодинамика - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 304 с.
6. Техническая термодинамика /Под ред. В.И.Крутова: учебник для втузов. - М.: Машиностроние, 1986. - 472 с.
7 Теплотехника. Учебник для вузов /Под ред. А.П.Баскакова, 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.
8 Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: учебн. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1975. - 496 с.
СОДЕРЖАНИЕ
с.
Уравнение Ван-дер-Ваальса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Водяной пар. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Процесс парообразования в p−ν диаграмме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
T-s диаграмма водяного пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Диаграмма s-i водяного пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Графоаналитический метод расчета основных процессов
с водяным паром . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Влажный воздух. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . 14
Диаграмма «h - d» влажного воздуха . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Расчет процессов с влажным воздухом с помощью
диаграммы «h - d» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Истечение газов и паров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Скорость истечения и массовый расход рабочего тела . . . . . . . . . . 23
Анализ уравнения массового расхода идеального газа.
Критическое давление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Критическая скорость и максимальный секундный расход
идеального газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Адиабатное истечение водяного пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Форма сопел. Сопло Лаваля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Дросселирование газов и паров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Дросселирование, или мятие, водяного пара . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Круговые процессы (циклы). Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Термический к.п.д. и холодильный коэффициент циклов . . . . . . . . . 39
Двигатели внутреннего сгорания. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . 40
Идеальные циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) . . . . . . . 42
Цикл ДВС с изохорным подводом тепла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Цикл ДВС с изобарным подводом тепла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Цикл ДВС со смешанным подводом тепла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Газотурбинные установки (ГТУ). Общие сведения.
Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) . . . . . . . . . . 54
Идеальный цикл ГТУ с изохорным подводом тепла . . . . . . . . . . . . . 56
Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе P = const . . . . . . . . . . . . . . 59
Циклы паротурбинных установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Влияние основных параметров на величину к.п.д. цикла Ренкина . . 66
Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) . . . . . . . . 67
Компрессоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Многоступенчатый компрессор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Тепловой насос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Эжектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Содержание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Дата: 2019-02-02, просмотров: 500.
