Идеальные циклы тепловых двигателей и установок файл

Обновлено: 05.07.2024

Основными задачами термодинамического метода исследования циклов тепловых двигателей являются:

- определение величины подведенного q₁ и отведенного q₂ тепла, а также работы цикла l_ц;

- оценка путей повышения эффективности цикла.

Превращение теплоты в работу в циклах реальных двигателей связано с рядом сложных физических, химических и газодинамических процессов (горение топлива, теплоотдача от рабочего тела в стенки двигателя, течение вязкого газа в различных элементах двигателя и др.). Они изучаются в теории авиационных двигателей.

В технической термодинамике проводятся изучение и исследование идеальных циклов тепловых двигателей. В них реальные процессы заменяются идеальными. При идеализации циклов обычно принимаются следующие допущения:

1) процессы, составляющие цикл, являются обратимыми, т.е. l_трен и другие диссипативные явления отсутствуют;

3) рабочее тело в цикле обладает неизменным химическим составом, если это газ, то он считается идеальным;

4) реальный процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне;

5) цикл считается замкнутым, процесс смены рабочего тела не рассматривается, а заменяется обратимым процессом отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду.

Рис. 6.1. Графический метод сравнения циклов

Максимально возможная степень преобразования теплоты в работу цикла достигается в цикле Карно, который осуществляется в том же интервале температур, что и в исследуемом цикле.

а) Графический метод сравнения циклов в T,s – координатах

В этих координатах (рис. 6.1) наглядно изображаются теплоты и , входящие в выражение для .

Сравним произвольный цикл abcd, осуществляемый в интервале температур Т_max и Т_min с циклом Карно 1234 в этом же интервале температур. Из графика (рис. 6.1) видно, что в произвольном цикле < , а > . Следовательно , поэтому больше произвольного цикла.

УДК 536.7 (621.036)
Троян Е.Н. Техническая термодинамика. Истечение газов и паров.

Идеальные циклы тепловых двигателей и установок: Учебное пособие / Алт. гос. техн. ун-т им.И.И.Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. - 140с.
В первом разделе учебного пособия изложен материал: истечение газов и паров. Дано математическое описание процесса истечения сжимаемой жидкости; Дан расчет сужающегося сопла при различных режимах истечения, расчет сопла Лаваля. Изложены сведения о течении сжимаемой жидкости при наличии трения и о процессе дросселирования газов и паров.

Во втором разделе пособия изложен материал: идеальные циклы тепловых двигателей и установок. Рассмотрены общие принципы построения идеальных циклов двигателей. Даны идеальные циклы: ДВС, двигателя Стирлинга, ГТУ и ПТУ. Проведен сравнительный анализ их эффективности.

Даны общие методы анализа эффективности реальных циклов. Разработаны варианты расчетного задания.

Учебное пособие написано для студентов всех специальностей, изучающих курс “Техническая термодинамика”.
Техническое редактирование учебного пособия произведено инженером Е.А.Федоренко.

Утверждено на заседании редакционно-издательского совета Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова в качестве учебного пособия.

Рецензенты: заведующий лабораторией физической гидродинамики Института Теплофизики СО РАН доктор технических наук О.Н.Кашинский, заместитель заведующего лабораторией физической гидродинамики кандидат технических наук В.В.Рандин.
ISBN 5 - 7568 - 0177 - 4

У Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова, 1997 г.

1. ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ И ПАРОВ
В теплотехнической практике часто приходится иметь дело с процессами, имеющими место при прохождении потока рабочего тела через какой-либо теплотехнический аппарат. Сюда относятся процессы в различных тепловых двигателях (например, в паровых или газовых турбинах в двигателях внутреннего сгорания), в нагревателях (например, в вентиляторах и компрессорах), в каналах переменного сечения - соплах, диффузорах и, наконец, в различных теплообменниках.
1.1 Математическое описание процесса истечения

сжимаемой жидкости
Исследование строится в следующих допущениях:

1. Течение сжимаемой жидкости считается установившимся, т.е. течением все характеристики которого (P_i, u_i, T_i, w_i, m_i) неизменны во времени в данном сечении потока.

2. Предполагается, что рабочее тело находится в состоянии внутреннего равновесия, несмотря на наличие перепада давления, необходимого для самого существования течения, т.е. процессы считают равновесными и обратимыми.

3. Течение считается одномерным, т.е. течением все характеристики которого есть функции одной координаты, например, абсциссы х, отсчитываемой в направлении течения.

4. Течение считается энергетически изолированным (dq = 0, dl_т = 0) и идущим на неизменном уровне (dh = 0).

Имея в виду все эти ограничения, система основных уравнений для течения сжимаемой жидкости без трения состоит из уравнений сплошности (неразрывности), движения, первого закона термодинамики и состояния.

Для одномерного стационарного потока уравнение сплошности имеет вид

(1.1)
откуда rw = const. Так как rw = m*/f,
то уравнение сплошности получит вид

(1.2)
где m* - массовый расход в единицу времени, кг/с;

r - плотность, кг/м 3 ;

w- скорость течения, м/с;

f - площадь сечения, м 2 ;

u - удельный объем, м 3 /кг;

rw - поток массы, кг/(м 2 с).
Уравнение движения сжимаемой жидкости для одномерного потока имеет вид:
- udP = d(w 2 /2). (1.3)
Таким образом, dP и dw в потоке сжимаемой жидкости всегда имеют разные алгебраические знаки. Это свидетельствует о том, что скорость возрастает только в направлении уменьшения давления.

Уравнение первого закона термодинамики в принятых допущениях имеет вид:
dq = di+d(w 2 /2). (1.4)
Из уравнения (1.4) следует, что теплота dq, подведенная к элементарной массе сжимаемой жидкости в потоке, тратится на увеличение его энтальпии di и кинетической энергии d(w 2 /2), которую можно превратить в механическую работу, например, в газовых турбинах, в реактивных двигателях и т.п.

Четвертым основным уравнением является уравнение состояния. В простейшем виде это уравнение известно для идеального газа
Pu = RT. (1.5)
Все дальнейшее изложение относится к идеальному газу.

1.2. Вычисление скорости энергетически изолированного

течения сжимаемой жидкости по теплоперепаду
Уравнение (1.4) используют при исследовании газовых потоков, так как в него входит основной параметр - скорость.

Если течение происходит без теплообмена с окружающей средой (dq = 0), то в соответствии с уравнением (1.4) d(w 2 /2) = - di.

Интегрируя уравнение (1.4) в пределах от начального состояния (i₁, w₁) до некоторого текущего (i, w), найдем
.
Здесь и повсюду далее считается, что течение начинается от состояния покоя (w₁ = 0), так что
.
и окончательно
, м/с. (1.6)
Разность (i₁ - i) называют теплоперепадом. При практическом использовании этого уравнения надо учитывать размерность энтальпии. Если Di = i₁ - i брать в Дж/кг, то
, м/с. (1.6,а)
если же Di взята в кДж/кг, то
, м/с. (1.6,б)
В связи с выражением (1.6) большое значение приобретает изображение обратимых процессов на плоскости S-i координат при решении важных задач теории теплосиловых установок (ГТУ, ПТУ и т.д.).

Рис. 1.1. Процесс обратимого расширения пара в сопле

Пусть пар с начальными параметрами Р₁ и t₁ вытекает в среду с давлением Р₂. Если потерями энергии на трение пренебречь, то процесс истечения протекает при постоянной энтропии (изоэнтропно) и изображается на S-i диаграмме вертикальной прямой 1-2 (рис. 1.1). Скорость истечения рассчитывается по формуле
, м/с,
где i₁ определяется на пересечении линий Р₁ и t₁, а i₂ находится на пересечении линий 1-2 с изобарой Р₂.
1.3. Вычисление скорости энергетически изолированного течения

сжимаемой жидкости по отношению давлений
Интегрируя уравнение (1.3) в пределах от начального состояния (P₁, u₁, T₁, w₁ = 0) до некоторого текущего (P, u, T,w), получим
, т.к. dP 2 = k(Pu)

или
м/с. (1.13)
Уравнение (1.13) показывает, что кроме физических свойств идеального газа, представленных здесь газовой постоянной “R”, скорость звука зависит от температуры и от изменяющегося вместе с нею показателя адиабаты “к”. В каждом сечении потока эти величины имеют свои особенные, но единственные значения. Именно поэтому справедливо утверждение о том, что в данном сечении канала устанавливается местная скорость звука.

В связи с кризисом течения сжимаемой жидкости различают два принципиально различных режима течения (рис. 1.2): докри-тический, который оказывается дозвуковым (w а).

Исследование функции w = w(b) на экстремум показывает, что упомянутая выше точка перегиба кривой, изображающей данную функцию на плоскости b - w координат имеет место при
. (1.14)

Следовательно, критическое давление будет
. (1.15)
Течение сжимаемой жидкости по условию адиабатно при к=const, так что
, т.е.
. (1.16)
Далее очевидно, что
,
так что
. (1.17)
Заменяя в уравнении (1.7) отношение давлений (Р/Р₁) его критическим значением, найдем, что

и поэтому
, м/с (1.18)
Заменяя здесь начальную температуру ее выражением через Т_кр (1.16), находим, что
, м/с. (1.19)
Определив скорость звука в критическом сечении, когда Т = Т_кр, найдем, что
. (1.20)

1.5. Геометрическое воздействие на поток сжимаемой жидкости
Очевидно, что = wdw. Внося этот результат в уравнение (1.3), получим
wdw = - udP = kPdu. (а)
Этот результат показывает, что величины dw и du имеют во всех случаях одинаковый знак, обратный знаку dP. Это означает, что ускорение потока любой сжимаемой жидкости (dw > 0, du > 0 и поэтому dr 0) с необходимостью сопровождается возрастанием давления (dР > 0) в направлении перемещения.

Если же dP = 0, то и dw = 0. Профессор Вулис Л.А. [6] впервые показал, что кризис течения сжимаемой жидкости возникает вне зависимости от того, каким воздействием вызвано возрастание скорости в направлении перемещения.

Следуя Вулису, различают:

1. Геометрическое воздействие - сужение или расширение канала.

2. Тепловое воздействие - подвод или отвод тепла.

3. Механическое воздействие - совершение положительной (турбина) или отрицательной (компрессор) работы.

4. Расходное воздействие - изменение количества рабочего тела, участвующего в процессе.

Описывая энергетически изолированное, изоэнтропное течение сжимаемой жидкости (d1_т = 0, dq = 0, dS = 0), идущее на неизменном уровне (dh = 0) и при неизменном количестве рабочего тела, рассмотрим единственно возможное в этих условиях геометрическое воздействие на поток сжимаемой жидкости. Для этого получим уравнение сплошности в форме Гюгонио.

В дифференциальной форме уравнение сплошности (1.2) перепишется следующим образом
df/f = du/u - dw/w. (1.21)
Выразим du/u через dw/w, используя выражение (а)
dw/w = -udP = - dP/r, т.е.
(б)
Течение является изоэнтропным (dS = 0). В этом случае изменение параметров движущейся жидкости можно связать с местной скоростью звука
, так что dP = a 2 dr.
Внося этот результат в выражение (б), получим
. (в)
Отношение скорости течения в данном сечении канала к местной скорости звука, т.е. w/а, обозначают через “М” и называют числом Маха.

Тогда выражение (в) переписывается следующим образом
,
т.е.
. (г)
Внося этот результат в уравнение (1.21), найдем искомое уравнение сплошности в форме Гюгонио:

Рис. 1.3. Изменение параметров при дозвуковом течении сжимаемой жидкости вдоль сужающегося сопла

Рис. 1.4. Изменение параметров при дозвуковом течении сжимаемой жидкости вдоль расширяющегося канала

. (1.22)
Анализ уравнения сплошности в форме (1.22) выясняет сущность геометрического воздействия на поток сжимаемой жидкости, т.е. отвечает на вопросы о том:

1. Какова форма канала, допускающего изменение скорости до-звукового и сверхзвукового течения сжимаемой жидкости.

2. Какова форма канала, допускающего непрерывный переход через скорость звука.
В дозвуковом потоке (w 0, поэтому du > 0, dr 0) сопровождается повышением давления в направлении перемещения (dP > 0) и может быть достигнуто расширением канала в направлении течения. Расширяющийся канал называется диффузором (рис. 1.4).

При сверхзвуковом течении сжимаемой жидкости (w > а, М > 1) уравнение сплошности (1.22) удовлетворяется только в том случае, если df и dw имеют одинаковые знаки. Следовательно:

1. Ускорение сверхзвукового потока сжимаемой жидкости (dw > 0, поэтому du > 0, dr 0) в направлении течения (рис. 1.5).

2. Торможение сверхзвукового потока в принципе невозможно без резко необратимых изменений состояния рабочего тела (нельзя избежать так называемых скачков уплотнения) и поэтому оно не может быть описано в рамках термодинамики обратимых процессов.

Рис. 1.5. Изменение параметров при сверхзвуковом течении сжимаемой жидкости вдоль расширяющегося канала

1.6. Истечение из суживающегося (простого) сопла
Итак, необходимо различать два режима истечения: докритический (дозвуковой), когда w а, т.е. М>1. Обозначим Р₁ - давление на входе в сопло, Р₂ - давление в среде, в которую происходит истечение. Решение задачи на истечение начинается выяснением того, каков в данном частном случае режим истечения:

1. Если заданное отношение давлений (b = Р₂/Р₁) больше критического (b_кр = Р_кр/Р₁), т.е. b > b_кр, то возможен докритический (дозвуковой) режим истечения.

2. Если заданное отношение давлений меньше критического, т.е. b b_кр

Рис. 1.7. К расчету сужающегося сопла при bЈb_кр

Таким образом, для различных режимов истечения необходимо иметь значение b_кр. Строго аналитическим путем значение b_кр можно вычислить только для идеального газа, для которого известно уравнение состояния в простой форме Клапейрона.

Примем без доказательства универсальную теорему, дающую определенное представление о механизме возникновения кризиса течения сжимаемой жидкости.

При докритическом истечении, т.е. при b > b_кр, давление Р_а на выходе из суживающегося (простого) сопла равно давлению Р₂ в окружающей среде (рис. 1.6). При потенциально возможном сверх-критическом истечении, т.е. при b Р₂, Т_а = Т_кр, u_а = u_кр, w_а = w_кр = а_кр. (рис. 1.7).

По этому поводу О.Рейнольдс заметил: в этом случае поток на выходе из сопла не знает о том, что давление в среде понизилось до Р₂ b_кр, и задача исследования ставится следующим образом. Найти расход m*, кг/с через сопло, если известны: неизменные во времени параметры рабочего тела на входе в сопло (Р₁, u₁, Т₁), давление в среде Р₂, показатель адиабаты k = const, площадь выходного сечения f_a.

Расход через любой канал ограничивается пропускной способностью его минимального сечения, т.е. площадью этого сечения, и предельно возможными параметрами рабочего тела в нем. Поэтому для решения поставленной задачи следует воспользоваться уравнением сплошности потока, написанным для выходного сечения сопла:
, кг/с.
Пусть истечение идеального газа, начинающееся из состояния покоя (w₁ = 0), развивается изоэнтропно в условиях энергетической изоляции. Тогда скорость истечения будет
, м/с.
Удельный объем идеального газа на выходе из сопла можно найти из условия адиабатности (k = const) процесса
u_a = u₁(P₁/P₂) 1/k , м 3 /кг.
Присоединяя эти результаты к исходному уравнению сплошности, найдем (заменяя RT₁ = P₁u₁)

и окончательно
, кг/с. (1.23)
В) Истечение из суживающегося сопла в условиях b 0) сопровождается возрастанием его удельного объема (du > 0), т.е. уменьшением ее плотности (dr 0 повсюду в области II, где скорость течения больше местной скорости звука (w > а, т.е. М > 1). Это означает, что при М = 1, т.е. при w = а, функция f = f(w) имеет минимум.

По совокупности изложенного можно утверждать, что для непрерывного ускорения энергетически изолированного течения сжимаемой жидкости, приводящего к непрерывному переходу через скорость звука, необходимо сужать канал для достижения критической скорости (w = w_кр = а_кр, т.е. М = 1) и расширять канал для дальнейшего ускорения потока, т.е. для перехода в область, где w > а, т.е. М > 1.

Отвечающий этим требованиям канал показан на рис. 1.9. Он состоит из суживающейся части, плавно сопряженной с расходящейся частью. Такой формы канал называется соплом Лаваля.

При этом, минимальное сечение сопла Лаваля - это критическое для потока сечение, т.е. сечение канала, в котором все характеристики течения оказываются критическими.

Таким образом, выяснено, что непрерывный переход через скорость звука возможен при изменении знака геометрического воздействия: сужение канала сменяется его расширением. Это изменение знака геометрического воздействия называется обращением геометрического воздействия.

Перейдем к расчету сопла Лаваля. По условию скорость на выходе из сопла Лаваля больше местной скорости звука. Давление Р_а и Р₂ могут быть поэтому связаны условием Р_а і Р₂. Тот случай, когда Р_а = Р₂, называют расчетным режимом сопла Лаваля.

Ограничимся описанием расчетного режима сопла Лаваля (Р_а = Р₂) и будем считать заданными: неизменные во времени параметры рабочего тела на входе в сопло (Р₁, u₁, Т₁, w₁ = 0), показатель адиабаты k= const, давление в среде Р₂, расход через сопло m*. Необходимо найти: площадь критического (минимального) сечения сопла f_кр, площадь выходного сечения сопла f_a, длину расходящейся части 1. Длина же суживающейся части выбирается из конструктивных соображений (габариты, минимальные потери и т.д.).

Для идеального газа задача решается следующим образом. Уже указывалось, что расход через любой канал ограничивается пропускной способностью его минимального сечения, т.е. площадью этого сечения и предельно возможными параметрами рабочего тела в нем. Но минимальное сечение сопла Лаваля - это критическое для потока сечение f_кр. Заданный расход надо поэтому считать предельным (максимальным) расходом через сопло Лаваля.
, кг/с.
Следовательно,

, м 3 /кг,
, м/с.
Площадь выходного сечения сопла f_а найдем из уравнения расхода
, кг/с.
Следовательно,
, м 2 ,
где
, м/с,
, м 3 /кг.
Зная f_кр и f_а, можно найти d_кр и d _а, а далее длину расходящейся части сопла:
, м. (1.25)
Здесь a - угол раскрытия (конусности) сопла Лаваля. Этот угол выбирается в пределах от 8° до 12°. При больших углах конусности возможен отрыв потока от стенок сопла, при этом резко растут потери на вихреобразование. При меньших углах растет длина сопла, а стало быть и потери на трение.

Для замедления сверхзвукового потока требуется также комбинированный канал, вначале (при М > 1) суживающийся и затем (при М 1 2 3 4 5

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Цикл (рис. 3.8) состоит из двух адиабат (1-2 и 3- 4) и двух изохор (2-3 и 4-/) и начинается в точке 1 (р\, и\, Т\ и Я)). От точки 1 до точки 2 сжатие газа происходит без теплообмена со средой (адиабатный процесс) за счет внешней приложенной работы. По изохоре 2-3 к рабочему телу подводится теплота <7|, при этом давление возрастает с р2 до р3 (Х = р3/р2 - степень повышения давления). Затем рабочее тело расширяется по адиабате 3-4, совершая механическую работу. В конце этого процесса по изохоре 4-1 отводится во внешнюю среду теплота Определим параметры состояния рабочего тела в основных точках цикла и характеристики процессов.

Точка 2 - конец адиабатного сжатия. На основании уравнения (3.37):

Изохорныи подвод теплоты 2-3: <?| = = с„(73-72).

Точка 3-конец изохорного подвода теплоты:

рз = Р2^ = Р1в*?1; из = и2 = 01/е;

Г3 = 7'2Я = 7',8*-^. (3.46)

Точка 4 - конец адиабатного расширения:

р4 = рз(и3/о4)* = Рз/е* = р|?1; и* = и1;

Г4 = 7-3(03/04) * "1 = Гз/е*-1 = Т X (3.47)

где У3/у4 = 02/0| = 1/е.

Изохорныи отвод теплоты 4-/: 92 = с„(74 -

Термический к.п.д. цикла Т*-Т1 1

зависит от степени сжатия е и увеличивается с ее увеличением.

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл (рис. 3.9) состоит из адиабат 1-2 и 3-4, изобары 2-3 и изохоры 4-1. Подвод теплоты в данном цикле отличается от предыдущего и происходит при изобарном расширении газа 2-3, которое характеризуется степенью предварительного расширения р =

Параметры точек и процессов цикла.

Точка 2-конец адиабатного сжатия - по формуле (3.45).

Изобарный подвод теплоты 2-3: 91 = = с„(7з-72).

Точка 3 - конец изобарного подвода теплоты:

Рз = р2 = Р1е*; о3 = о2р = (У1р/е: 73 = 7|ре*-1

Точка 4 - конец адиабатного расширения: р4 = Р,р*; У4 = «1; 74 = 7-1р*. (3.50)

Рис. 3.8. Идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (по изохоре 2-3)

В) Р Рис. 3.9. Идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (по изобаре 2-3)

Изохорный отвод теплоты 4-/: 92 = = с„(Г4 -Г,).

Термический к.п.д. цикла Цт3-т2)

увеличивается с возрастанием степени сжатия в и уменьшается с увеличением р.

Цикл со смешанным подводом теплоты. Цикл (рис. 3.10) представляет собой комбинацию двух предыдущих. Он состоит из адиабат 1-2 и 3-4, изохор 2-3' и 4-1 и изобары 3'-3. В этом цикле часть теплоты <?1 =с„(7з- Т2) подводится при постоянном объеме, другая часть д"= = ср(Гз- Т'з) -при постоянном давлении, причем <7^-г-<7"==<7ь Параметры процесса:

Точка 2 - конец адиабатного сжатия - по формуле (3.45).

Точка 3' - конец изохорного подвода теплоты:

Рз = М = Р|8*^ уз = и2 = у./8;

Точка 3 - конец изобарного подвода теплоты - по формуле (3.49).

Точка 4 - конец адиабатного расширения:

рА - р\ркХ; о4 = ог, 7-4=7ЛрЧ. (3.53)

Термический к.п.д. цикла

Рис. 3.10. Идеальный цикл со смешанным подводом теплоты (по изохоре 2-3' и изобаре 3'-3)

возрастает с увеличением е и X и уменьшается с повышением р. Формула (3.54) для термического к.п.д. цикла является наиболее общей, универсальной. При ф=1 формула (3.54) приводится к виду (3.51), а при р = 1 - к виду (3.48).

Сравнение к.п.д. трех идеальных циклов показывает, что при одинаковых значениях степени сжатия е наибольшее значение тг\( имеет цикл с изохорным подводом теплоты, наименьшее - с изобарным. При одинаковых значениях наибольших давлений в цикле (на которые рассчитывается прочность конструкции) большее значение термического к.п.д. т]( достигается в цикле с изобарным подводом теплоты, меньшее - в цикле с изохорным подводом теплоты. При одинаковых наибольших температурах термический к.п.д. цикла с изобарным подводом теплоты также выше, чем к.п.д. изохорного цикла.

Смешанный цикл во всех случаях по величине к.п.д. занимает промежуточное положение между этими циклами.

Использование идеальных циклов для анализа рабочих процессов поршневых двигателей внутреннего сгорания (д.в.с). Идеальные циклы, рассмотренные выше, основаны на следующих условиях: рабочее тело- идеальный газ с постоянной, не зависящей от температуры теплоемкостью; количество, состав и свойства рабочего тела за время цикла не меняются; теплота к рабочему телу подводится от внешнего условного источника; процессы сжатия и расширения являются адиабатными, т. е. проходят без теплообмена с внешней средой; теплота отводится от рабочего тела к внешнему условному теплоприемнику.

Строго говоря, все эти предпосылки не соблюдаются в двигателях внутреннего сгорания, рабочие процессы которых, так же как и идеальные циклы, протекают внутри цилиндра с подвижным поршнем. Рабочими телами в них на разных этапах цикла являются воздух, смесь воздуха с парами топлива, газы - продукты сгорания топлива. Стало быть, состав и количество рабочего тела в цикле меняются, во время расширения или сжатия часть теплоты рассеивается во внешнюю среду. Процесс подвода теплоты фактически является горением топлива, а отвода - выбросом (рабочий процесс не является циклическим - он разомкнут) продуктов сгорания в атмосферу и т. п.

Однако рабочие газы в двигателях находятся при довольно высоких температурах и относительно невысоких давлениях, что делает их свойства близкими к свойствам идеальных газов. Одно обстоятельство, что атмосферный воздух на 77 % состоит из азота, который не участвует в горении и не меняет своего количества, состава и свойств в цикле, уже позволяет утверждать, что, по крайней мере, у трех четвертей массы рабочего тела не меняются свойства. Поэтому и у всей массы они изменяются мало. Такие оговорки с достаточной для практики точностью позволяют использовать для анализа реальных рабочих процессов д.в.с. закономерности, полученные при исследовании идеальных циклов.

Поэтому обычно вместо реального цикла д.в.с. рассматривается работа идеальной циклической установки, использующей воздух в качестве рабочего тела и имеющей такую же степень сжатия, как и д.в.с. Говорят что такая установка работает по стандартному воздушному циклу. С ее работой и сравнивается эффективность рабочего процесса реального двигателя. Надежность сравнения возрастает из-за внешнего сходства между индикаторной диаграммой реального д.в.с. (зависимость давления от объема цилиндра) и диаграммой состояния (ри-диа-грамма) соответствующего воздушного цикла.

Имеются три таких стандартных воздушных цикла.

1. Цикл Отто, или цикл быстрого сгорания, соответствующий идеальному циклу с подводом тепла по изохоре. Цикл был разработан французом Бо де Роча в 1862 г. и применен позднее в своем двигателе немецким инженером Николасом Отто.

2. Цикл Дизеля, или цикл постепенного сгорания, соответствующий идеальному циклу с изобарным подводом теплоты. Цикл назван по имени изобретателя двигателя с воспламенением от сжатия Рудольфа Дизеля, немца по национальности, родившегося и работавшего во Франции.

3. Смешанный цикл, соответствующий идеальному циклу со смешанным подводом теплоты.

Параметры состояния рабочего тела и характеристики процессов в стандартных воздушных циклах с достаточной точностью могут определяться по аналогичным зависимостям для идеальных циклов.

Теоретические циклы газотурбинных двигателей. Газотурбинным двигателем (ГТД) называется тепловой двигатель лопаточного типа, работающий на горячих газах - продуктах сгорания топлива. ГТД (рис. 3.11) состоит из компрессора К, подающего воздух, необходимый для сгорания топлива, камеры сгорания С, в которой непрерывно протекает горение топлива, и газовой турбины 7\ на лопатках которой газы расширяются и совершают раТопл Рис. 3.11. Схема газотурбинного двигателя боту, вращая ротор ГТД. От вала ротора отбирается мощность (до 75 %) для привода компрессора. Оставшаяся часть - это полезная мощность ГТД. Рабочий процесс такой установки, строго говоря, нециклический. Через ГТД проходит непрерывно установившийся поток газа по разомкнутой схеме. Однако так как воздух засасывается из атмосферы, а газы возвращаются также в среду с тем же атмосферным давлением, это дает возможность условно замкнуть цикл и считать процесс циклическим.

Особенностью простейших идеальных циклов, используемых в ГТД, является отвод тепла при постоянном давлении, т. е. по изобаре. Таких циклов может быть два - в зависимости от способа подвода теплоты - по изобаре или по изохоре.

Цикл ГТД с подводом теплоты по изобаре (рис. 3.12) состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4) и двух изобар (2-3 и 4-1). По линии 1-2 протекает адиабатный процесс сжатия рабочего тела (воздуха) в компрессоре, по изобаре 2-3 подвод теплоты - горение топлива в камере сгорания. По линии 3-4 протекает адиабатный процесс расширения газа на лопатках турбины. Линия 4-1 представляет собой изобарный отвод теплоты (выпуск газов в атмосферу). По такому циклу работают турбореактивные двигатели самолетов.

Термический к.п.д. цикла определяется по выражению (3.48), где под е = и\/и2 подразумевается степень сжатия воздуха в компрессоре, с увеличением которой к.п.д. цикла возрастает. Газ, выходящий из турбины в окружающую среду, имеет температуру Г4, более высокую, чем температура воздуха Гг после сжатия в компрессоре. Это дает возможность усовершенствовать работу установки путем использования теплоты уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед его поступлением в камеру сгорания (регенерация).

Цикл ГТД с подводом тепла по изохоре (рис. 3.13) состоит из двух адиабат (1-2 и 3-4), изохоры (2-3) и изобары (4-1).

Термический к.п.д. такого цикла к х'/к - 1 х\, = 1 - е._, х _ , , (3.55)

где А, = Дз/Дг - степень повышения давления газа при сгорании топлива.

Очевидно, что к.п.д. этого цикла ниже, чем цикла с изобарным подводом теплоты.

Круговой цикл (процесс) – это такой процесс, при котором газ (т.е. рабочее тело) после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

Круговые процессы осуществляются в тепловых двигателях как процессы, периодически повторяющиеся. В системе p-v координат круговые процессы всегда замкнуты.

Рассмотрим изменение состояния газа в непрерывно работающем тепловом двигателе. Допустим, что газ с начальными параметрами, характеризующимися точкой 1 (рис. 2), вводится в соприкосновение с источником тепла, в результате чего газ расширяется до конечного состояния, характеризуемого точкой 2.

Следовательно, процесс сжатия необходимо вести при меньшей температуре, чем процесс расширения, т.е. при сжатии газ следует охлаждать.

Для осуществления кругового процесса (цикла) и получения полезной работы необходимо к газу в процессе расширения подвести тепло , а в процессе сжатия отвести от него тепло .

Так как в круговом процессе конечное и начальное состояния газа совпадают, то изменение внутренней энергии газа за цикл равно нулю, т.е. .

На совершение полезной работы в круговом процессе затрачивается количество тепла q=q₁-q₂, где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно.

Процесс на рисунке 2 называют прямым, и он направлен по часовой стрелке. Прямые циклы имеют место в тепловых двигателях.

Экономичность цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.), обозначаемым и равным отношению тепла, превращенного в полезную работу, к подведенному теплу, т.е.

где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно. Данное уравнение показывает, что к.п.д. не может быть больше или равен единице, т.к. ни q₂ ни q₁ не могут быть равны нулю.

1.3 Коэффициент избытка воздуха, степень сжатия

В зависимости от организации рабочего процесса двигателя соотношение между количествами воздуха и топлива может изменяться. При теоретических расчетах получают необходимое для горения количество воздуха, но на практике подводят большее количество. Отношение действительного количества воздуха (), подводимого в процессе горения, к теоретически необходимому (), называется коэффициентом избытка воздуха

Число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания называют степенью сжатия. Степень сжатия можно найти через отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и обозначают:

где - полный объем цилиндра, - объем камеры сгорания, - рабочий объем.

2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРШНЕВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

2.1 Классификация двигателей внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

ДВС можно разделить на:

В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.

В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.

В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.

Наиболее экономичными являются ДВС поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам:

1. по способу смесеобразования:

а) двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра. Примером таких двигателей служат газовые и карбюраторные.

б) двигатели с внутренним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра. Например, двигатели на дизеле и двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндр.

2. по виду применяемого топлива:

а) двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, лигроине и керосине);

б) двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (соляровом масле и дизельном топливе);

в) двигатели, работающие на газовом топливе (сжатом и сжиженном газах).

3. по способу воспламенения горючей смеси:

а) двигатели с воспламенением горючей смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и с впрыском легкого топлива);

б) двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели).

4. по способу осуществления рабочего цикла:

а) четырехтактные. У этих двигателей рабочий цикл совершается за 4 хода поршня или за 2 оборота коленчатого вала;

б) двухтактные. У этих двигателей рабочий цикл в каждом цилиндре совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

5. по числу и расположению цилиндров:

а) двигатели одно- и многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т.д.)

б) двигатели однорядные (вертикальные и горизонтальные);

в) двигатели двухрядные (V-образные и с противолежащими цилиндрами).

6. по способу охлаждения:

а) двигатели с жидкостным охлаждением;

б) двигатели с воздушным охлаждением.

7. по назначению:

а) двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, строительных машинах и других транспортных машинах;

б) двигатели стационарные;

в) двигатели специального назначения.

2.2 Топливо для двигателей. Свойства и физико-химические характеристики. Теплота сгорания топлива

Действительный рабочий цикл ДВС осуществляется в результате выделения теплоты при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

В качестве топлива для двигателей используют жидкие нефтепродукты (бензин, дизтоплива, тяжелое дизельное топливо) и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Топливо и воздух на горение в зависимости от физических свойств топлива вводится в цилиндр двигателя совместно или раздельно.

При проектировании нового двигателя обязательно указывается вид топлива. Для характеристики конструктивных особенностей двигатели часто называют по роду используемого топлива (газообразные, бензиновые).

В зависимости от физического состояния и метода получения газообразного топлива различают сжиженный газ (смеси углеводородов, которые при 20 С и давлении 760 мм рт.ст. газообразны, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость), сжатый газ, генераторный газ и т.п. Выбор газа в качестве топлива для ДВС определяется его способностью к воспламенению и скоростью распространения пламени в газо-воздешной смеси.

Жидкое топливо получается в основном в результате переработки нефти. Нефтяное жидкое топливо состоит в основном из углерода 85-87%, водорода 12-15%, кислорода 0-0,5%. Жидкие топлива делят на топлива для карбюраторных двигателей и для двигателей с воспламенением от сжатия (дизеля).

Бензин — основной вид топлива для карбюраторных двигателей. Сырьем для получения бензина служит нефть, нефтяные газы, бурый и каменный уголь, горючие сланцы.

Бензин как топливо должен обладать хорошей испаряемостью, стойкостью против детонации, высокой стабильностью (т. е. способностью сохранять первоначальные свойства при длительном хранении), не содержать соединений, вызывающих коррозию металла, и не содержать смолистых отложений, а также воды и механических примесей.

Об испаряемости бензина судят по его фракционному составу.

Фракционный состав характеризуется температурой выкипания 10%; 50%; 90 % топлива и температурой конца выкипания.

Температура выкипания 10% топлива характеризует его пусковые качества: чем ниже эта температура, тем легче можно пустить двигатель.

Температура выкипания 50% топлива характеризует способность его обеспечивать быстрый прогрев двигателя, устойчивость его работы на малой частоте вращения коленчатого вала и приемистость двигателя.

Температура выкипания 90 % топлива и конца выкипания характеризует полноту его испарения.

Температура начала кипения бензина должна быть не ниже 30 °С, для того, чтобы в жаркое время года не образовывались "паровые" пробки в топливопроводах и фильтрах.

Стойкость бензина против детонации оценивается октановым числом, которое присутствует в каждой марке бензина. Так, например, в марке бензина АИ-92 буква А означает, что бензин предназначен для автомобилей, буква И — что октановое число данного бензина определяют по исследовательскому методу, а цифра 92 — октановое число. В марке А-76, где нет буквы И — октановое число 76 определено по моторному методу.

На слух детонация проявляется в звонких металлических стуках при работе двигателя. Кроме того, при детонации в отработавших газах периодически появляется черный дым, двигатель перегревается и его мощность падает.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность бензина к детонации, поэтому для повышения октанового числа к бензинам добавляют антидетонатор — этиловую жидкость. Бензин, в который добавлена этиловая жидкость, называют этилированным. Этиловая жидкость ядовита, поэтому этилированные бензины тоже ядовиты и применение их требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Присутствие в бензине кислот и сернистых соединений вызывает коррозию металлов, поэтому содержание их строго ограничивается.

Вода и механические примеси в бензине не допускаются. Вода способствует коррозии топливных баков и тары, а также ускоряет осмоление бензина.

В соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей автомобилей применяют марки бензинов:

Дизельные топлива. Это топливо применяется для дизелей.

Основными свойствами дизельного топлива являются температура самовоспламенения, температура застывания и вязкость.

Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельных топлив, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Температурой самовоспламенения называется температура, до которой необходимо нагреть смесь дизельного топлива с воздухом, чтобы начался процесс ее горения. Эта температура равна примерно 300—350 °С. Самовоспламеняемость дизельного топлива определяют по цетановому числу. Чтобы определить цетановое число, дизельное топливо сравнивают с эталонными топливами, цетановое число которых заранее известно. Цетановое число находится в пределах 40—45 единиц.

Температура застывания дизельного топлива оказывает влияние на работу дизеля: чем она ниже, тем надежнее работает дизель, так как при застывании топливо превращается в желеобразную массу и подача его из топливных баков в цилиндры двигателя становится невозможной. Температура застывания дизельного топлива должна быть на 10—15°С ниже температуры окружающего воздуха в районе его эксплуатации.

Выпускают следующие марки дизельного топлива: Л — летнее, 3 — зимнее, А — арктическое.

Газовое топливо, используемое в газобаллонных автомобилях, может быть как естественного, так и искусственного происхождения и применяться в сжатом или сжиженном виде. К сжатым газам относят природный газ (метан) и промышленные газы. Сжиженными называют такие газы, которые переходят из газообразного в жидкое состояние при нормальной температуре и давлении до 1,6 МПа. К ним относят углеводороды, получаемые при переработке нефти.

Газ как топливо имеет ряд преимуществ: обеспечивает лучшее смесеобразование, позволяет использовать бедные горючие смеси. К недостаткам газового топлива относят меньшую теплоту сгорания горючей смеси. В результате этого мощность двигателя уменьшается на 7. 20%.

К физико-химическим характеристикам топлива относят:

- испаряемость – способность переходить в парообразное состояние, характеризуется фракционным составом;

- вязкость влияет на процессы распыливания и топливоподачи;

- детонационная стойкость влияет на нормальное распределение пламени при сгорании. Работа двигателя на детонационном режиме недопустима вследствие перегрева двигателя, падения мощности, прогорания поршней, клапанов. Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т.е. процентным по объему содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, если исследуемое топливо детонирует так же, как смесь, содержащая 70% изооктана и 30% нормального гептана, то октановое число такого топлива = 70;

- склонность к воспламенению. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава;

- примеси. Топливо не должно содержать механические примеси, воду, корродирующие вещества;

Одной из наиболее важных технических характеристик топлива является теплота сгорания.

Теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 нм 3 газообразного топлива. На практике теплоту сгорания топлива определяют методом калориметрирования. В закрытом сосуде сжигают определенное количество топлива. Теплота сгоревшего топлива через стенки сосуда передается воде. Зная это количество воды, окружающей сосуд, теплоемкость сосуда и разность температур воды до и после опыта, определяют теплоту сгорания топлива.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива. Теплота сгорания высшая больше, чем теплота сгорания низшая на количество теплоты, которое затрачивается на испарение влаги рабочей массы топлива и влаги, получаемой при сгорании водорода, входящего в состав топлива.

Высшая теплота сгорания определяется по формуле Менлелеева

где С, Н, О, S — массовая доля элементов в веществе ТГИ, %

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

$Описание: Q_H^P=Q_B^P-2514\cdot((9H^P+W^P)/100)$

(для твердого вещества)

$Описание: Q_H^P=Q_B^P-600\cdot((9H^P+W^P)/100)$

(для жидкого вещества), где:

• 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

• H P и W P — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

• 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг

Для удобства расчетов и сравнения теплоты сгорания различных видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива

где В_у и В_р — расходы соответственно условного и рабочего (натурального) топлива; Э — тепловой эквивалент топлива,

Газообразное топливо представляет собой смесь различных газов. Природные газы содержат от 80 до 98% метана. Попутные газы, выходящие на поверхность из нефтяных скважин одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (40—60%) и тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). Теплота сгорания природного газа , попутного .

Из искусственных газов наибольшее распространение получили генераторный газ , коксовой с и доменный с .

Читайте также: