9. Циклы поршневых двигателей.
1. Почему цикл Карно не применяется в качестве цикла поршневого двигателя?
Для осуществления цикла Карно в интервале реальных рабочих температур современных ДВС степень сжатия должна быть в 40-50 раз больше, чем в поршневых двигателях.
Цикл характеризуется невысоким показателем энергетической эффективности, что выражается в низком значении среднего давления цикла pt .
Отношение среднего давления цикла к максимальному давлению в цикле Карно составляет около 0,2%, тогда как в поршневых ДВС значение этого показателя составляет не менее 10%.
В машинах с однофазным рабочим телом, к которому относится идеальный газ, практически невозможно организовать изотермический подвод и отвод теплоты.
2. Продолженное расширение вполне возможно реализовать в поршневом двигателе. Практически любой ДВС, можно дооборудовать дополнительными блоками цилиндров, для использования режима ПР. На практике, для испольм мования остаточной энергии выхлопных газов, более эфективным является использование турбины. Наиболее распространеные двигатели с ПР – это дизели с газотурбинным наддувом. Они представляют собой комбинированную теплосиловую установку. Первая ступень – поршневой двигатель, вторая – турбина. Рабочий цикл установки отличается ПР продуктов сгорания почти до атмосферного давления в газовой турбине. Режим с ПР часто используется в роторно-лопастных и роторно-волновых ДВС.
3. Проанализируйте уравнения термического КПД и среднего давления для цикла со смешанным подводом теплоты. Запишите уравнения для двух других циклов – с подводом теплоты при постоянном объеме и при постоянном давлении.
Цикл Тринклера (Сабатэ) – цикл со смешанным подводом теплоты q – частично при p=const и частично при v=const Vc- объем камеры сгорания
Va- полный объем Vh- рабочий объем
Vh=Va-Vc
4.Анализ влияния на кпд и среднее давл
КПД цикла растет при уменьшении вычитаемой из 1 дроби: при увеличении степени сжатия ℇ и показателя адиабаты k, зависящего от природы рабочего тела, от степени повышения давления λ, при уменьшении степени предварительного расширения ρ. При продлении изобарного процесса подвода теплоты q1 и увеличения степени предварительного расширения ρ колво отводимой теплоты q2 увелич в большей степени, чем колво подводимой теплоты. Увеличение степ предварительного расширения ρ приводит к уменьшению степени термич КПД.
При увеличении колва подводимой теплоты одновременно возрастают λ и ρ, но ρ оказывает большее влияние на терм КПД, чем λ. Поэтому терм КПД понижается.
Среднее давление цикла растет при увеличении всех величин, стоящих в числителе. Для увелич среднего давления начальное давление pa повышают с помощью наддува. В цикле Тринклера.
5. Сравнение циклов в PV, ST, когда совпадают начальные параметры, природа тела, степень сжатия и работа.
6.
Сравнение циклов в PV,
ST,
когда совпадают начальные параметры,
природа тела, макс давление и работа.
10. Реальные газы. Водяной пар как пример реального газа.
1. Запишите и рассмотрите уравнение состояния Ван-дер-Ваальса. Покажите в p-V координатах изотермы Ван-дер-Ваальса для температуры выше критической, равной критической и ниже критической. Тройная точка и критическое состояние для воды, нижняя и верхняя пограничные кривые. Области жидкости, влажного и перегретого пара в p-V, T-S и h-S диаграммах.
Уравнение
состояния для реального газа pV=zRT z
– коэффициент сжимаемости z
= 1+B
+C
+D
,
где B,C,D
– вириальные коэффициенты, учитывающие
силы взаимного притяжения и отталкивания.
Уравнение состояния Ван-дер-Ваальса
(p
+ a/
)(υ
- b)
= RT
Поправка a/ учитывает действие сил взаимодействия между молекулами газа, поправка b учитывает размер молекул.
Отрезок 3-1 – реальная изотерма.
ak – нижняя пограничная кривая (НПК) разделяет жидкую фазу вещества слева и двухфазное состояние (жидкость – пар) справа, в каждой точке НПК начало кипения жидкости.
kb – линия, верхняя пограничная кривая (ВПК), разделяет двухфазное состояние и паровую (газовую) фазу. В каждой точке ВПК – сухой насыщенный пар.
k–критическая точка
Тройная точка воды:
a – жидкость при 0°С
ab – подогрев жидкости при p=constдо температуры кипения (сопровождается испарением – парообразованием поверхности).
b – начало кипения
bc – изобарно-изотермический процесс парообразования с потреблением теплоты при кипении (парообразование во всем объёме).
Состояние
пара - влажный насыщенный пар (ВНП) при
давлении насыщения
и
температуре насыщения
.
с – испарение последней капли жидкости, весь пар сухой, насыщенный.
сd – изобарный перегрев пара, степень перегрева – разность температур перегретого пара и СНП при p=const.
2. Что называется теплотой парообразования? Как она изменяется с ростом давления? На что затрачивается теплота парообразования? Что называется степенью сухости пара? Как ее определить по расположению точки, изображающей состояние в области влажного пара p-V и T-S диаграмм. Теплотой парообразования r, Дж/кг называется количество теплоты, необходимое для полного превращения кипящей 1кг жидкости в сухой насыщенный пар. С ростом давления r уменьшается, в критической точке r = 0.
R = ρ + ψ , где ρ – внутренняя теплота парообразования (изменение внутренней потенциальной энергии), ψ – внешняя теплота парообразования (работа расширения ВНП).
Степенью сухости называется массовая доля сухого пара во влажном паре
Vx, hx, Sx – объём, энтальпия и энтропия ВНП в данном состоянии.
V’, h’, S’ – объём, энтальпия и энтропия кипящей жидкости (в точке b – начале кипения).
V’’, h’’, S’’ – параметры сухого насыщенного пара (в точке с).
Энтальпия перегретого пара растёт с увеличением давления.
Степень перегрева – разность температур перегретого пара и сухого насыщенного пара при p=const.
3. Рассмотрите основные процессы с водяным паром в p-V и h-S координатах. Как определяются изменение внутренней энергии, теплота и работа в изохорном, изобарном, изотермическом, адиабатном процессах с использованием диаграммы h-S?
Изобарный процесс 1p2p является процессом расширения и протекает с подводом теплоты.
Степень перегрева Т2р – T1
q = h2-h1 = Δh ,т.к. h = u + pυ
Δu = (h2-p2 υ2) – (h1-p1υ1)
q = Δu + l l = Δh – Δu = p(υ 2- υ 1), l0 = 0
Изотермический процесс 1т2т является процессом расширения и протекает с подводом теплоты.
q = T(S2 - S1) = TΔS
Δu = (h2 - p2υ2) – (h1 - p1υ1) , Δu≠0 как в случае с идеальным газом.
L = q – Δu, l0 = q - Δh (l0 ≠ l в отличие от процесса с идеальным газом).
Изохорный процесс идёт с подводом теплоты и повышением давления и температуры пара. Работа расширения не совершается. На рисунке: 1v2v
q = Δu, Δu = (h2 - p2υ2) – (h1 - p1υ1) = h2 - h1 – υ (p2 - p1) l = 0, l0 = q – Δh = υ (p2 - p1)
Адиабатный процесс 1s2s представляет собой сжатие. Температура растёт, V2S<V1S, p2S>p1S. Затраченная на сжатие работа идёт на изменение внутренней энергии пара Δu = (h2-p2υ2) – (h1- p1V1),
l = -Δu; l0 = -Δh, dq = 0