Oil and gas

1. Круговые процессы (циклы)
Круговыми процессами называются замкнутые
процессы, характеризующиеся возвратом системы
(рабочих тел) в исходное состояние, то есть в исходное
состояние возвращаются параметры состояния, а значить
интегральное изменение любой функции состояния равно
нулю:
0
dz 
 где z = p; V(v); Т; U(и); H(h) и т.п.
Круговые процессы, как периодически
повторяющиеся, реализуются в тепловых машинах
(тепловых двигателях и холодильных машинах) и
называются циклами.
Различают прямые и обратные циклы. Те и другие
могут быть обратимые и реальные.

2. Круговые процессы,
в результате реализации которых
получена полезная работа,
осуществляются в тепловых двигателях,
называются прямыми
циклами и направлены по
часовой стрелке.
Круговые процессы, в результате
которых происходит охлаждение
рабочих тел до температуры ниже
температуры окружающей среды,
осуществляются в холодильных машинах.
Такие циклы называются обратными
и направлены против часовой стрелки.
P
V

1
Q

2
Q

ц
L
P
V

1
Q

2
Q

ц
L

3. Выражение первого начала термодинамики по
внешнему балансу для цикла записывается в
следующем виде:
С учетом того, что для кругового процесса
получаем выражение первого начала термодинамики
для кругового процесса
  


 *
*
L
dU
Q
0
dU 

 

 *
*
L
Q
.

4. Интегральные значения количества теплоты
и работы в круговом процессе могут быть
представлены в виде
.
 *
Q
 *
L
;
Q
Q
Q 2
1
* 












 .
сж
.
рас
ц
*
L
L
L
L

5. Окончательно выражение первого начала
термодинамики по внешнему балансу для цикла
записывается в следующем виде:
В циклах тепловых двигателей работа положительна
, а в циклах холодильных машин - работа
цикла отрицательна ; при этом для них
справедливо условие
Различают три вида циклов тепловых машин:
реальные, обратимые и термодинамические.



 2
1
*
ц Q
Q
L
)
0
L
( *
ц 
)
0
L
( *
ц 


 2
1 Q
Q

6. Термодинамические схемы теплового двигателя (а) и
холодильной машины (б):
– обратимый цикл, – реальный цикл

7. Коэффициент полезного действия реальных циклов
тепловых двигателей численно равен отношению
полученной работы к подведенному извне к
количеству теплоты
Для обратимого цикла теплового двигателя КПД
определяется следующим образом:
*
1
*
2
*
1
*
2
*
1
*
1
*
ц
Q
Q
1
Q
Q
Q
Q
L






обр
1
обр
.
ц
.
обр
Q
L



8. Термический коэффициент полезного действия
термодинамического цикла теплового двигателя находится из
соотношения
1
2
1
2
1
1
ц
t
Q
Q
1
Q
Q
Q
Q
L







9. Эффективность циклов холодильных машин
оценивается холодильным коэффициентом ( ).

Холодильный коэффициент численно равен
отношению количества теплоты, отводимой от холодного
источника, к затраченной работе.
Для реального цикла холодильной машины
холодильный коэффициент определяется соотношением
,
Q
Q
Q
L
Q
2
1
2
*
ц
*
2








10. для обратимого цикла холодильной машины
для термодинамического цикла холодильной машины
обр
2
обр
1
обр
2
обр
.
ц
обр
2
обр
Q
Q
Q
L
Q




2
1
2
ц
2
t
Q
Q
Q
L
Q





11. Цикл Карно
Французский инженер Сади Карно в 1824 г.
предложил обратимый цикл тепловой машины, рабочим
телом в котором является идеальный газ. Цикл Карно
осуществляется между двумя внешними источниками
постоянных температур Т1 и Т2 и состоит из двух
адиабат и двух изотерм.

13. Согласно принципу существования энтропии для
идеальных газов ( ) интегральные количество
подведенной и отведенной теплоты в цикле Карно
может быть определено из следующих соотношений:
TdS
Q 


 
B
A
1
1 dS
T
Q 
B
A
1 dS
T  
A
B
1 S
S
T 




C
D
2
2 dS
T
Q 

C
D
2 dS
T  
D
C
2 S
S
T 


S
T1

S
T2


14. Для замыкания цикла необходимо, чтобы итоговое
изменение энтропии (как функции состояния) в цикле
было равно нулю
следовательно
Количества подведенной и отведенной теплоты
равны соответственно:
Работа цикла составляет
dS = 0,
S
S
S
S
S D
C
A
B 




1 1
Q T S
  2 2
Q T S
 
 
ц 1 2 1 2
L Q Q T T S
     

15. КПД цикла Карно можно представить в следующем виде:
Холодильный коэффициент обратного цикла Карно для
холодильной машины определяется соотношением
,
T
T
1
S
T
S
)
T
T
(
Q
Q
Q
Q
L
1
2
1
2
1
1
1
1
ц
K
t 











2
1
2
K
t
T
T
T




16. Полученные соотношения свидетельствуют о том, что
КПД и холодильный коэффициент обратимого цикла
Карно зависят только от соотношения абсолютных
температур горячего Т1 и холодного Т2 источников
теплоты.
Анализ соотношения показывает, что КПД цикла
Карно возрастает с увеличением температуры горячего и
при понижении температуры холодного источников.

17. Циклы ДВС
• - Масса рабочего тела не меняется.
• - При подводе теплоты (сжигании топлива) не
происходит химических реакций.
• -Не происходит побочных потерь теплоты, кроме
основной – во время выпуска газов.
• -Процессы сжатия и расширения происходят
адиабатно.
• -Процесс отвода рабочего тела заменяется
отводом теплоты через стенки цилиндра.
• -Все процессы считаются обратимыми.
• -Рабочим телом принимается идеальный газ.

18. Теоретические циклы ДВС

19. Цикл Отто

20. Цикл Отто
1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
2-3 изохорный подвод теплоты
3-4 адиабатное расширение рабочего тела
4-1 изохорный отвод теплоты от рабочего
тела к холодному источнику
v
s
q2
q2
1
2
q1
3
4
2
1
p T
q1
3
4

21. Характеристики цикла Отто
•
•
•
1
2
ε 


3
2
p
p


 
 
4
4 1
2 1 1
t 1
3
1 3 2 2
2
1
1
1 1 1 1
1
v
k
v
T
C T T
q T T
η
T
q C T T T
T

 

 
 
 
        
  
 

 
 

22. Необходимо отметить
• - ε = 7..11
• - Во время впуска в цилиндр поступает
топливовоздушная смесь
• - Топливовоздушная смесь воспламеняется
благодаря электрическому заряду
• - Сгорание происходит очень быстро
• - ηt = 25…30 %

23. Цикл Дизеля
1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
2-3 изобарный подвод теплоты
3-4 адиабатное расширение рабочего тела
4-1 изохорный отвод теплоты от рабочего
тела к холодному источнику
v
s
q2
q2
1
4
2
1
3
4
p T
q1
2
q1
3

24. Характеристики Цикла Дизеля
•
•
•
1
2




3
2




ht
= 1-
q2
q1
= 1-
Cv
T4
- T1
( )
Cp
T3
- T2
( )
= 1-
T1
kT2
T4
T1
-1
T3
T2
-1
æ
è
ç
ç
ç
ç
ö
ø
÷
÷
÷
÷
= 1-
1
ek-1
pk
-1
k (p -1)

25. Необходимо отметить
• - ε = 15…22
• - Во время впуска в цилиндр поступает воздух
• - Топливо воспламеняется путем
самовоспламенения
• - Сгорание длиться столько же, сколько длиться
процесс впрыскивания
• - ηt = 40…45 %

26. Цикл Тринклера (Сабатэ)
1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
2-3 изохорный подвод теплоты
3-4 изобарный подвод теплоты
4-5 адиабатное расширение
5-6 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к
холодному источнику
v
s
q2
q2
q’1
q”1
1
2
q’1
3 4
5
2
1
3
4
5
p
T
q’’1

27. Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ
•
•
•
•
1
2




4
3




3
2
p
p


2
t ' '' 1
1 1
1 1
1 1
( 1) ( 1)
q
q q 

   
   




   

28. 123’4 – цикл с изохорным
подводом теплоты
123’’4 – цикл с изобарным
подводом теплоты
Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=const
s
q2
1
T
2
3’
3’’
4
v=const
1 2 2
t
1 1
q q q
1
q q


  

отто дизеля
t t
 


отто дизеля
1 1
q q


p=const
a b

29. Сравнение циклов ДВС Т3=const
1234 – цикл с изохорным
подводом теплоты
12’34 – цикл с изобарным
подводом теплоты
s
q2
1
T
2
3
4
v=const
p=const
2’
дизеля отто
t t
 


дизеля отто
1 1
q q


1 2 2
t
1 1
q q q
1
q q


  


31. Принципиальная схема газотурбинной
установки
1 – воздушный компрессор
2 – камера сгорания
3 – газовая турбина
4 – электрогенератор или ЦБН

32. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе
v=const (импульсная)
1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
2-3 изохорный подвод теплоты
(v=const)
3-4 адиабатное расширение
рабочего тела в газовой
турбине
4-1 изобарный отвод теплоты
1
4
q2
v
T
s
q1
q2
1
2
q1
3
4
2
3
Р
Р0

33. Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты
в процессе v=const (импульсная)
•
•
•
2
1
( )
p
p
  
3
пт
2
p
p
 
 
1/k
пт
t (k 1)/k
пт
k 1
1
1
1


 



 

34. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе
p=const
1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
2-3 изобарный подвод теплоты
(p=const)
3-4 адиабатное расширение
рабочего тела в газовой
турбине
4-1 изобарный отвод теплоты
1 4
q2
v
T
s
q1
q2
1
2
q1
3
4
2 3
Р

35. Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты
в процессе p=const
•
•
•
2
1
( )
p
p
  
3
2




2 4 1
1
t
1 3 2
q T T 1
1 1 1
q T T






     


36. Сравнение циклов ГТУ
Условия сравнения:
отведенная теплота разная, то
есть
T
s
1
2
3’’
4’’
3’
a b c
v const p const
1 1
q q
 

v const p const
 
 

пл a123'b пл a123''c
   
пл a14'b пл a14''c
  
4’
V=const
p=const
2
t
1
1
q
q
  
const const
v p
t t
 
 


37. Сравнение циклов ГТУ
- ГТУ с изохорным подводом теплоты не получили
широкого распространения.
Недостатки:
• - Сложности в организации изохорного сгорания
топлива
• - Усложнение конструкции камеры сгорания
• - Усиленный износ клапанов

38. Цикл ГТУ с регенерацией тепла
1 – воздушный компрессор
2 – регенератор
3 – камера сгорания
4 – газовая турбина
5 – электрогенератор или ЦБН

39. Цикл ГТУ с регенерацией тепла
1-2 адиабатное сжатие воздуха в компрессоре
2-2’ нагрев воздуха в регенераторе за счет
теплоты уходящих газов
2’-3 нагрев рабочего тела в камере сгорания
при p=const в процессе подвода тепла при
сжигании топлива
3-4 адиабатное расширение рабочего тела в
турбине
4-4’ – отвод теплоты от уходящих газов в
регенераторе
4-1 – охлаждение газов в атмосфере
1 4
q2
v
T
s
q1
1
2
q1
3
4
2 3
Р
qто
2’
4’
4’
2’
qто
q2

40. Характеристики цикла ГТУ с регенерацией
тепла
T
s
q1
1
2
3
4
2’
4’
q2
2' 2
4 2
Т Т
Т Т




2
1
p
p
 
3
2'




k 1
k
t 1
( 1) ( 1)
1
( 1)


  

 


  
 

2
2
'
Т
Т
 
qто