Lekcii_po_TekhnichTermodinamike

85

Воздух в компрессоре адиабатически сжимается от давления P1 до P2 (процесс 1-2), нагреваясь при этом от температуры Т1 , равной температуре охлаждаемого тела Т 0 до Т 2 . Далее воздух охлаждается в теплообменнике ТО от температуры Т 2 до Т 3 (процесс 2-3), отдавая поглощенную теплоту внешней

среде, например воде. После этого воздух адиабатически расширяется в детандере Д от дпаления Р2 до Р1 (процесс 3-4), совершая полезную работу, и поступает в охлаждаемый объект Об , где нагревается от температуры Т 4 до Т1 (процесс 4-1), отводя теплоту от охлаждаемого тела, например воздуха. Из охлаждаемого объекта воздух поступает в компрессор, и цикл повторяется.

Если допустить, что воздух является идеальным газом, т.е. C p Const , и

представить для адиабатических процессов сжатия и расширения воздуха отношение температур в виде:

где n показатель адиабаты, то холодильный коэффициент цикла можно записать:

потери, поэтому термодинамически он целесообразен, если воздушная холодильная машина осуществляет комбинированный цикл, охлаждая и нагревая одновременно. В воздушных холодильных машинах типа ТХМ, разработанных в нашей стране, охлаждение происходит благодаря расширению воздуха в расширительной машине – детандере с производством внешней полезной работы. Такие машины имеют холодопроизводительность 30, 60 кВт и более и используются для быстрого замораживания эндокринного сырья (железы животных, используемых в медицине), некоторых видов продуктов растительного происхождения (плодов, овощей, ягод), кулинарных изделий.

Вихревая труба представляет собой цилиндрическую трубу, разделенную диафрагмой на холодную и горячую части.

С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что слои воздуха, вращающиеся вблизи оси, отдают кинетическую энергию остальной (периферийной) массе воздуха и при этом охлаждаются. Другая же часть воздуха воспринимает эту энергию и нагревается в результате трения, на преодоление которого затрачивается значительная часть кинетической энергии.

Термодинамическое совершенство воздушных холодильных машин вихревого типа не превышает нескольких процентов и зависит от использования теплоты потока воздуха, выходящего из горячей части вихревой трубы. Если эта теплота утилизируется, то общая эффективность повышается.

1-2 – адиабатное расширение (в детандере); 2-3 – изобарный подвод тепла, воздух нагревается; 3-4 – адиабатное сжатие в компрессоре;

4-1 – изобарный процесс отвода тепла, воздух остывает.

В настоящее время воздушные холодильники не применяются на практике из-за своей небольшой холодильной мощности и громоздкости.

87

Цикл парокомпрессионной холодильной установки

Подавляющее большинство действующих холодильных машин представляют собой парокомпрессионные машины, которые в зависимости от типа используемого компрессора подразделяют на поршневые, ротационные, винтовые и центробежные. Для обеспечения требуемых температур кипения и конденсации рабочего тела используют одноступенчатые, многоступенчатые и каскадные компрессионные паровые холодильные машины.

Функциональные схемы паровой одноступенчатой холодильной машины с детандером и дросселем и их циклы были рассмотрены выше (см. разд. 4.4, рис. 4.4). Там же даны и описания процессов осуществления циклов в парокомпрессионных холодильных машинах.

Для реализации цикла в комплект компрессионной паровой холодильной машины входят компрессор, конденсатор, испаритель, теплообменник, приборы автоматики, пускозащитная электроаппаратура, монтажные трубопроводы и другие элементы.

Наиболее широко распространены компрессионные паровые холодильные машины с поршневыми компрессорами, обладающие наиболее высокими (по сравнению с машинами других типов) энергетическими коэффициентами, способностью работать при более высоком отношении давлений конденсации и кипения.

В компрессионной холодильной машине совершаются термодинамические, холодильные (обратные) циклы, представляющие собой определенную последовательность процессов кипения, сжатия, конденсации и дросселирования. Компрессорная холодильная машина (рис. 5.2) состоит из основных и вспомогательных частей. К основным элементам относятся: (1) – компрессор; (2) – кривошипно-шатунный механизм; (3) – конденсатор; (4) – испаритель; (5) – регулирующий вентиль.

Рис. 5.2. Схема компрессионной холодильной машины

Испаритель – это теплообменный аппарат, в котором кипит жидкий холодильный агент при низкой температуре, поглощая тепло из окружающей среды. Температура в охлаждаемом объеме понижается. Жидкий холодильный агент переходит в парообразное состояние.

Компрессор – это холодильная машина, которая отсасывает пары холодильного агента из испарителя, сжимает их до давления конденсации и нагнетает в конденсатор.

Конденсатор – это теплообменный аппарат, в котором сжатые пары охлаждаются, отдавая тепло в окружающую среду, и конденсируются, т.е. переходят в жидкое состояние.

Регулирующий вентиль монтируют на жидкостной линии перед испарителем. Регулирующий вентиль служит для регулирования подачи жидкого холодильного агента из конденсатора в испаритель, при этом происходит дросселирование жидкого холодильного агента, т.е. понижение его температуры и давления.

Принцип действия. Жидкий холодильный агент кипит в испарителе, отбирая тепло от охлаждаемой среды, превращаясь в парообразное состояние. Пары отсасываются компрессором, сжимаются до давления конденсации и нагнетаются в конденсатор. В конденсаторе тепло, воспринятое в испарителе и компрессоре, отводится в окружающую среду, сжатые пары конденсируются, т.е. переходят в жидкое состояние. Далее жидкий холодильный агент через регулирующий вентиль вновь подается в испаритель. Холодильный цикл повторяется.

В парокомпрессионных холодильных установках в основном осуществляется те же процессы, что и в воздушных холодильниках. В качестве хладагентов применяют легко кипящие жидкости с ts 0 С, такие как аммиак

давление насыщенных паров в рабочем интервале температур должно быть не слишком высоким или низким;

нетоксичность (особенно для бытовых холодильников); низкая коррозионная активность;

желательно высокое значение r – теплоты парообразования.

Сейчас наиболее широко используются фреоны, например, R12, R22. Приведѐм их температуры кипения:

Кстати, первая холодильная установка работала на парах эфира (1834 год), фреоны стали входить в практику в 30-х годах двадцатого века.

В настоящее время проводятся работы по синтезу и применению новых хладагентов, которые не разрушали бы озоновый слой Земли. Многие страны производят именно такие холодильники.

Итак, рассмотрим принципиальную схему парокомпрессионного холодильника и цикл работы в T,S координатах:

p. Он поступает в конденсатор 4, где сначала происходит его охлаждение при p = const (линия 4-5 ), а затем конденсация при p, T = const.

90

(например, от продуктов) и за счѐт этого при постоянных p и T испаряется (линия 2-3). Из испарителя пар направляется снова в компрессор.

Цикл, совершаемый в такой машине, отличается от обратного цикла Карно только наличием необратимой адиабаты 1-2.

Для получения весьма низких температур (-40 -70 С) одноступенчатые парокомпрессионные установки оказываются неэкономичными или

Тепловой насос

В процессе работы холодильной установки теплота перекачивается к горячему источнику, повышая его температуру. Таким образом, холодильный цикл можно использовать в целях отопления. Работающая таким образом холодильная установка представляет собой тепловой насос. Тепловой насос забирает теплоту не из охлаждаемой емкости, а из окружающей среды. За счет затраты работы в обратном цикле температура теплоносителя повышается. Эффективность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом

где q1 — количество теплоты, сообщаемое нагреваемому объекту; lц — работа, подводимая в цикле.

Если в целях отопления используют определенную холодильную машину с холодильным коэффициентом ε, то q1 = q2 + lц, ε = q2/lц. Тогда

1 (15.20)

Следовательно, чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент.

Так как в тепловом насосе q1>lц, то и υ>1. Значение отопительного коэффициента в реальных тепловых насосах равно 3... 5.

Если бы тепловой насос работал по циклу Карно, то с учетом формул (15.2) и

(15.20)

При постоянной температуре нижнего источника теплоты Т2 эффективность теплового насоса будет зависеть от температуры, при которой рабочее тело отдает теплоту в отопительную систему. Этой температурой и нужно руководствоваться при выборе теплоносителя.

91

ЛЕКЦИЯ 16 Циклы газовых двигателей

Двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются тепловые двигатели, рабочим телом которых служат газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри самого двигателя. Обычно это название применяется к двигателям, отличительной чертой которых является поршневая конструкция.

Поршневые ДВС по характеру рабочего цикла делятся на двигатели быстрого сгорания с искровым зажиганием топливно-воздушной смеси и двигатели постепенного сгорания, характеризующиеся самовоспламенением топлива.

Кдвигателям быстрого сгорания относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине и керосине.

Кдвигателям постепенного сгорания относятся дизели, работающие на соляровом масле (быстроходные дизели) или на тяжелых моторных топливах (тихоходные дизели).

Все поршневые ДВС делятся на двухтактные и четырехтактные. Двухтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, т. е. на один оборот вала. Четырехтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на четыре хода поршня, т. е. на два оборота вала.

Для выявления основных особенностей двигателей быстрого сгорания рассмотрим устройство и работу четырехтактного карбюраторного двигателя.

Схема устройства и работы двигателя внутреннего сгорания

Назначение всякого теплового двигателя состоит в преобразовании теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теплота получается при сгорании жидких, твердых и газообразных топлив. Двигателем внутреннего сгорания называется поршневой двигатель, рабочим телом в котором являются продукты сгорания топлива (жидкого или газообразного), сгорающего непосредственно в рабочем пространстве цилиндра двигателя.

Первым, кто указал на возможность создания двигателей внутреннего сгорания, является Сади Карно. Идеи, высказанные им в работе «Размышления

одвижущей силе огня», в дальнейшем были полностью реализованы.

В1860 г. французский механик Ленуар создал двигатель внутреннего сгорания с использованием светильного газа. Однако он не получил широкого распространения ввиду того, что имел низкий кпд (не выше, чем у паровых машин).

Первый в мире двигатель внутреннего сгорания для работы на жидком топливе был предложен капитаном русского флота И.С. Костовичем и построен в России в 1879 г.

92

В1893 г. немецким инженером Р. Дизелем был разработан двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось воздухом высокого давления, получаемого от компрессора. Наличие особого компрессора высокого давления значительно усложняло конструкцию двигателя.

В1901 г. русский инженер Г.В. Тринклер построил двигатель с самовоспламенением от сжатия, но без компрессора. В основе работы двигателя Тринклера заложен цикл со смешанным подводом теплоты – сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в настоящее время широкое распространение.

Высокая экономичность, малый вес и компактность, быстрый запуск сделали двигатель внутреннего сгорания (ДВС) незаменимым до настоящего времени во многих областях техники.

На рис. 17.1 показана схема устройства двигателя внутреннего сгорания.

5

7

ВМТ

6

2

1

НМТ

Рис. Схема устройства четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

В цилиндре 1 двигателя расположен поршень 2. Шатун 3 соединен при помощи поршневого пальца с поршнем с одной стороны и с коленчатым валом двигателя 4 с другой стороны. Цилиндр двигателя закрыт крышкой 5, в которой находятся впускной 6 и выпускной 7 клапаны. Топливо в цилиндр подается с помощью установленной на двигателе топливной аппаратуры через впускной клапан (в виде топливовоздушной смеси) либо через специальную форсунку, размещенной на крышке цилиндра, через которую производится впрыск топлива.

Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а крайнее нижнее – нижней мертвой точкой (НМТ). Период движения поршня из одной мертвой точки к другой называется тактом.

Рабочие процессы в двигателях исследуются с помощью особых приборов

– индикаторов. Они позволяют получить индикаторные диаграммы,

отображающие изменение давления в цилиндре реального двигателя. Рассмотрение отдельных процессов, характеризующих работу ДВС,

обычно начинают, предполагая идеальные условия всех его органов. Эти условия подразумевают:

93

–рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

–отсутствие гидравлических сопротивлений впускного и выпускного клапанов;

–количество рабочего тела постоянно;

–полное сгорание топлива при любом желаемом изменении давления рабочего тела в цилиндре в процессе сгорания;

–адиабатное протекание процессов сжатия и расширения;

–подвод теплоты к рабочему телу производится не за счет сжигания топлива, а от внешних источников теплоты.

При идеальных (теоретических) условиях рабочий цикл двигателя будет характеризоваться теоретической индикаторной диаграммой (рис. 17.2).

Принятые допущения приводят к изучению идеальных термодинамических циклов ДВС, что позволяет производить сравнение различных двигателей и определять факторы, влияющие на их кпд.

Все современные ДВС подразделяются на три основные группы:

1. Двигатели, в которых используется цикл с подводом теплоты при

В двигателе внутреннего сгорания в определенной последовательности происходит процессы наполнения цилиндра горючей смесью и его очистки от продуктов сгорания, а также процессы сжатия, горения и расширения. Если рабочий цикл в цилиндре совершается за четыре такта, т.е. за два оборота коленчатого вала, то такие двигатели называют четырехтактными.

Четырехтактный рабочий цикл рассмотрим на примере работы двигателя с воспламенением от сжатия, работающего по циклу Тринклера с подводом теплоты, как при постоянном объеме v const , так и при постоянном давлении p const .

Рабочий процесс такого ДВС заключается в следующем. В течение хода поршня 2 от ВМТ к НМТ через открытый впускной клапан 6 вследствие создаваемого при этом разряжения в цилиндре происходит впуск воздуха из атмосферы или специального ресивера. Во время всасывания при отсутствии гидравлических сопротивлений клапана давление в цилиндре 1 равно давлению той среды, откуда происходит впуск воздуха (рис. 17.1, а). Первый такт называется тактом впуска. Второй такт – сжатие происходит при обратном движении поршня от НМТ к ВМТ и закрытых клапанах 6 и 7 (рис. 17.1, б). В конце сжатия давление воздуха в цилиндре – 3…4 МПа и температура его 600…700 °С. В этот момент с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100…150 МПа топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Третий такт включает в себя сгорание топлива и последующее расширение продуктов сгорания и совершается при ходе поршня от ВМТ к НМТ и закрытых клапанах (рис. 17.1,

94

в). Топливо вводится в цилиндр двумя порциями: первая подается так, чтобы она сгорала мгновенно; это приводит к повышению давления в цилиндре практически при постоянном объеме; подача второй порции регулируется так, чтобы при его постепенном горении давление в цилиндре оставалось постоянным, несмотря на движение поршня и увеличение объема. Горючая смесь (смесь топлива с воздухом) сгорает в цилиндре 1 с повышением температуры и давления. Продукты сгорания, воздействуя на поршень 2, перемещают его из ВМТ в НМТ. Процессы сгорания и расширения дают в совокупности рабочий ход (такт поршня). Для подготовки цилиндра к осуществлению следующего цикла совершается четвертый такт – выпуск (рис. 17.1, г). При этом поршень при движении от НМТ к ВМТ через открытый выпускной клапан 7 вытесняет из цилиндра продукты сгорания.

Из всех четырех тактов только в третьем совершается работа. Все остальные требую затраты работы.

Из анализа работы реального двигателя, видно, что рабочий процесс не является замкнутым и в нем присутствуют все признаки необратимых процессов: трение, теплообмен при конечной разности температур и проч.

Идеальные циклы двигателя внутреннего сгорания

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера). Теоретическая индикаторная диаграмма изображена на рис. 17.2.

34

р

q1

р2

Рис. Теоретическая индикаторная диаграмма

Цикл ДВС состоит из следующих процессов: линия 6-1 – впуск воздуха; 1-2 – адиабатное сжатие в цилиндре чистого воздуха с повышением его температуры выше температуры самовоспламенения топлива; 2-3 – изохорный подвод теплоты при мгновенном сгорании первой части топлива, поступающего в цилиндр в мелкодисперсном виде и уже успевшей к моменту самовоспламенения образовать с частью воздуха горючую смесь; 3-4 – изобарный подвод теплоты, который соответствует горению остальной части порции топлива, сгорающей постепенно по мере поступления из форсунки; 4-5

– адиабатное расширение; 5-1 – изохорное расширение; 1-6 выпуск продуктов сгорания.

Линии 6-1 и 1-6 не являются термодинамическими процессами, так как основные параметры всасывания и выпуска не изменяются, а изменяется только