- •Министерство сельского хозяйства рф
- •Раздел 1 Техническая термодинамика
- •Глава 1 Законы термодинамики
- •1.2. Законы термодинамики
- •Глава 2 термодинамические свойства рабочих тел
- •2.1. Рабочее тело тепловых машин
- •2.2. Теплоемкость гав и газовых смесей
- •2.3. Термодинамические процессы
- •Глава 3 пар и влажный воздух
- •3.1. Парообразование жидкостей
- •3.2. Влажный воздух
- •Глава 4 термодинамика газового потока
- •4.1. Уравнения и параметры движущегося газа
- •4.2. Течение газа в каналах
- •Глава 5 Циклы тепловых машин
- •5.1. Цикл Карно
- •5.2. Идеальные циклы поршневых двс
- •5.3. Идеальный цикл газотурбинного двигателя
- •15.4. Цикл паросиловой установки
- •5.5. Цикл универсальной тепловой машины Стирлинга
- •5.6. Циклы компрессоров
- •5.7. Циклы холодильных машин
- •Раздел II Основы теории теплообмена
- •Глава 6. Теплопроводность
- •6.1. Терминология теплообмена
- •6.2. Сущность теплопроводности
- •6.3. Стационарная теплопроводность
- •6.4 Понятие о решении задач нестационарной теплопроводности
- •Глава 7 Конвективный теплообмен
- •7.1. Теплоотдача
- •7.2. Основы теории теплового подобия
- •7.3. Теплоотдача при естественной конвекции
- •7.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции
- •7.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- •Глава 8 Лучистый теплообмен
- •8.1. Закономерности лучистого теплообмена
- •8.2. Лучистый теплообмен между телами, разделенными
- •8.3. Лучистый теплообмен в камерах сгорания
- •Теплопередача и теплообменные аппараты
- •9.1. Уравнение теплопередачи
- •9.2. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки
- •9.3. Теплопередача через оребренную стенку
- •9.4. Интенсификация теплопередачи
- •9.5. Тепловая защита
- •9.6. Теплообменные аппараты
- •9.7 Тепловые трубы
- •Приложение
- •Соотношения между единицами давления
- •Теплофизические свойства металлов и сплавов
5.2. Идеальные циклы поршневых двс
Исследование циклов тепловых двигателей проводится с целью оценки совершенства действительных процессов, протекающих в двигателе, а также с целью учета влияния различных факторов на экономичность двигателя.
Метод термодинамического анализа циклов тепловых двигателей, предложенный Б. Клапейроном, усовершенствован отечественными учеными В.И. Гриневецким, Б.С. Стечкиным, Е.К. Мазингом и другими, является общим для всех тепловых двигателей. Этот метод прост и последователен. Сущность его заключается в следующем:
1. Действительный цикл теплового двигателя заменяется идеальным, при этом принимается ряд допущений:
– рабочее тело рассматривается как идеальный газ с постоянной теплоемкостью и массой один килограмм;
– процесс сгорания топлива, связанный с изменением химического состава рабочего тела, заменяется обратимым процессом подвода теплоты;
– цикл считается замкнутым, т.е. процесс выброса продуктов сгорания заменяется обратимым процессом отвода тепла;
– механические и тепловые потери отсутствуют.
2. Получают формулу термического КПД идеального цикла и проводят анализ влияния различных факторов на величину .
3. Получают, а затем анализируют выражение полезной работы цикла.
Используя данный метод, проведем исследование некоторых циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Внутри цилиндра поршневого ДВС в результате сгорания топлива
выделяется большое количество теплоты и образуется газообразное рабочее тело. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, приемлемые массогабаритные и эксплуатационные характеристики. Они широко используются, особенно в качестве транспортных двигателей.
По характеру процессов, при которых осуществляется сгорание топлива, циклы поршневых ДВС делятся на три вида:
1) с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто);
2) с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля);
смешанный цикл, в котором часть теплоты подводится при постоянном объеме, а оставшаяся - при постоянном давлении.
5.2.1. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты
В двигателях, работающих по этому циклу, приготовление топливной смеси осуществляется либо в специальных устройствах – к а р б ю р а т о - р а х, либо непосредственно в цилиндре (распыленное форсункой горючее перемешивается с поступающим в цилиндр воздухом в такте всасывания). Сгорание протекает в момент, когда поршень меняет направление движения от сжатия к расширению, поэтому процесс подвода тепла можно считать изохорным.
С целью анализа действительный цикл заменим идеальным, рис.5.3, включающим следующие процессы:
1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;
2-3 – изохора подвода теплоты q1;
3-4 – адиабата расширения рабочего тела;
4-1 – изохора отвода теплоты q2.
При анализе цикла исходными данными являются: параметры состояния в точке 1: p1, T1, v1; с т е п е н ь с ж а т и я и с т е- п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я . Рис. 5.3
Под степенью сжатия понимают отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Для цикла, изображенного на рис. 5.3
.
Величина зависит от количества подведенной теплотыq1 в изохорном процессе и определяется по выражению:
.
Определим параметры рабочего тела в состояниях 2, 3 и 4.
Точка 2: v2 = v1 /; p2 = p1 к; T2 = к-1 T1 .
Точка 3: v3 = v2 = v1 /; p3 = p2 = кp1; T3 = T2 = к-1T1.
Точка 4: v4 = v1; p4 = p1; T4 = T1.
Значения температур в точках цикла позволяют определить количество подведенной и отведенной теплоты по формулам:
q1 = cv(T3 – T2) = cv(к-1T1 - к-1 T1) = cv(-1) к-1 T1;
q2 = cv(T4 – T1) = cv(T1 – T1) = cv(-1)T1.
Найдем термический КПД изохорного цикла:
t = 1 - ,
после сокращения 1 - . (5.2)
Таким образом, термический КПД ДВС с изохорным подводом тепла зависит только от степени сжатия и показателя адиабаты к.
На рис. 5.4 приведены расчетные кривые, показывающие зависимостьоти к. Из графика видно, что с увеличениемвеличина непрерывно растет. Однако в двигателях, работающих по изохорному циклу, величина степени сжатия ограничивается по двум причинам: во-первых, при больших может наступить детонационное горение топлива; во-вторых, возникает опасность преждевременного самовоспламенения топлива в конце сжатия из-за высокой температуры. Поэтому для современных изохорных двигателей= 7…10.
Рис. 5.4 Вычислим полезную работу цикла:
lц = q1 – q2 = cv(-1) (к-1 -1) T1.
Выражая cv через к и R и используя уравнение состояния, получим:
lц = (-1) (к-1 -1). (5.3.)
Анализ выражения (5.3) показывает, что работа цикла растет с увеличением и.
По циклу с изохорным подводом тепла работают ДВС на легких фракциях горючего.
5.2.2. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты
Сгораемое в ДВС топливо представляет собой смесь какого-либо горючего с воздухом. Если в цилиндре сжимать вначале воздух, а затем подавать туда распыленное горючее под высоким давлением, то можно избежать и детонации преждевременного воспламенения. Эта раздельная подача позволяет существенно повысить степень сжатия, а, следовательно, и КПД и использовать в качестве горючего более тяжелые фракции переработки нефти. Создание двигателя, использующего этот принцип, связано с именем немецкого инженера Р. Дизеля (1858-1913), поэтому двигатели с раздельным сжатием называют д и з е л ь н ы м и.
В дизелях горючее подается в цилиндр в конце такта сжатия. Так как температура находящегося в цилиндре сжатого воздуха высокая, топливная смесь воспламеняется. В процессе горения, несмотря на то, что поршень перемещается, давление остается постоянным.
Идеальный цикл с изобарным подводом тепла, рис.5.5, состоит из следующих процессов:
1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;
2-3 – изобара подвода теплоты;
3-4– адиабата расширения рабочего тела;
4-1 – изохоры отвода теплоты.
Здесь заданными являются:
параметры p1, v1, T1, а также степень сжатияи степень предварительного расширения.
. Последнюю обозначают через
и вычисляют как
. Рис. 5.5
Получим выражение термического КПД этого цикла, для чего определим параметры в точках 2,3,4.
Точка 2: v2 = v1 /; p2 = p1 к; T2 = к-1 T1 .
Точка 3: v3 = v2 = v1; p3 = p2 = p1; T3 = T1.
Точка 4: v4 = v1; p4 = p3(v3/v4)к = p1;T4=T1 p4/p1 = T1.
Вычислим значения теплоты в процессах 2-3 и 4-1:
q1 = cp (T3 –T2) = cp (-1)T1
q2 = c v(T4 -T1) = cv (-1)T1.
После подстановки q1 и q2 в формулу термического КПД и сокращения, получим:
. (5.4)
Отсюда следует, что термический КПД цикла с изобарным подводом тепла зависит от степени сжатия , величины показателя адиабаты к и степени предварительного расширения
Он возрастает с увеличением и к и уменьшением .
Полезная работа цикла будет равна
Lц = q1-q2 = cpT1( -1)–cvT1(-1) =.
Работа цикла возрастает с увеличением и уменьшением.
При одинаковых степенях сжатия термический КПД цикла с изобарным подводом тепла ниже, чем у цикла с изохорным подводом тепла, так как
сомножитель в уравнении (5.4) всегда больше единицы. Но в изобарных ДВС используются более высокие значения, чем в изохорных двигателях, что повышает их экономичность.
В табл.5.1 приведены величины дизельного двигателя для рядаипри к = 1,35.
Т а б л и ц а 5.1
|
|
|
p2, МПа |
T2, K | ||
|
|
|
|
|
| |
14 |
60,1 |
37,3 |
3,82 |
1150 |
1960 | |
16 |
62,1 |
40,4 |
4,59 |
1240 |
2060 | |
18 |
63,8 |
43,0 |
5,40 |
1300 |
2160 | |
20 |
65,2 |
45,2 |
6,24 |
1350 |
2250 | |
22 |
66,4 |
41,2 |
7,12 |
1400 |
2330 | |
24 |
67,5 |
48,9 |
8,03 |
1450 |
2410 |
Для увеличения экономичности дизеля необходимо увеличивать степень сжатия и уменьшать степень предварительного расширения. Это значит, что действительный процесс сгорания топлива желательно проводить при наименьшем изменении объема цилиндра. Осуществление такого процесса сгорания возможно в двигателях со смешанным подводом теплоты, в которых топливо начинает гореть при постоянном объеме, а сгорание заканчивается при постоянном давлении. Анализ цикла со смешанным подводом теплоты включает элементы изохорного и изобарного циклов.
Выражение термического КПД смешанного цикла имеет вид:
(5.5)
Сравнение циклов поршневых ДВС
Сравнение циклов поршневых двигателей проводят при одинаковых максимальных давлениях и равных перепадах температур, так как именно эти условия в действительности определяют конструктивные особенности двигателей, их прочность, надежность в эксплуатации.
Для сравнения циклов их изображают совмещено в Ts координатах, рис.5.6,
где цикл 12341 – изохорный;
цикл 12′′341 – изобарный;
цикл 12′ 3′ 341 – смешанный.
Рис. 5.6
Для анализа запишем в виде:.
Здесь числитель – полезно используемая теплота цикла, она эквивалентна площади изображенных циклов. Знаменатель – отведенная теплота, она оди-
накова для всех циклов. Из рис.5.6 наглядно видно, что термический КПД изобарного цикла самый максимальный из рассматриваемых.