Теоретические основы теплотехники 1
.pdf
131
Рис. 41. Схема, p-v и T-s диаграммы воздушной холодильной установки
Удельное количество теплоты,
быть определено по соотношению
q |
c |
pm |
1 |
|
переданное охлаждающей воде, может
T2 T3 , |
(313) |
удельное количество теплоты, отведенное от воздуха в холодильной камере,
по формуле
q2 |
|
cpm T1 T4 , |
(314) |
|
а удельная работа цикла при условии постоянства теплоемкости рабочего те-
ла ( c pm idem ) может быть рассчитана из выражения
l |
l |
l |
q |
q |
2 |
c |
pm |
T T T T |
|
|||
ц |
1,2 |
3,4 |
1 |
|
|
2 |
3 |
1 |
4 |
|
||
(315)
или, поскольку для адиабатных процессов (1–2) и (3–4) справедливы следу-
ющие соотношения температур:
T1 T2 T4 T3 ; |
T1 T4 T2 T3 , |
(316) |
определена по формуле
lц
132
|
T |
|
|
c pm ( T2 T1 ) ( 1 |
3 |
). |
|
T |
|||
|
|
||
|
2 |
|
(317)
При использовании соотношений (314), (317) холодильный коэффици-
ент воздушной холодильной может быть определен из формулы
t
q |
2 |
l |
|
ц |
|
|
|
|
|
T |
( T |
T |
) /[( T |
T |
) ( 1 |
3 |
1 |
4 |
2 |
1 |
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
)] |
T |
|
1 |
||
|
||
T |
T |
|
2 |
1 |
.
(318)
Следует отметить, что вследствие малого значения теплоемкости воз-
духа, удельная холодопроизводительность воздушных холодильных устано-
вок достаточно низкая.
Аборбционная холодильная установка
Иногда для осуществления цикла холодильной машины целесообразнее расходовать не механическую работу, как это было в рассмотренных типах холодильных машин, а теплоту, отбираемую, к примеру, от уходящих про-
дуктов сгорания газотурбинных установок. Холодильные машины, в которых для понижения температуры тел до температуры ниже температуры окружа-
ющей среды используется теплота отработавших продуктов сгорания, назы-
ваются абсорбционными холодильными установками (рис. 42).
Абсорбционные холодильные установки используют в качестве рабо-
чего тела хладоагенты и их растворы. В качестве хладагента в абсорбцион-
ных холодильных установках может быть использован аммиак, а в качестве растворителя (абсорбента) – вода.
133
Рис. 42. Схема и идеализированная T-s диаграмма абсорбционной холодильной установки
Схема абсорбционной установки показана на рис. 42. В генераторе (1) к
водоаммиачному раствору подводится теплота от внешнего источника (отра-
ботавшие продукты сгорания) при давлении p1 . Подводимая теплота qг идет на испарение рабочего тела: в этом процессе образуется пар с высокой кон-
центрацией аммиака и с температурой T2 . Пар из генератора (1) поступает в конденсатор (2), где конденсируется при температуре T5, передавая теплоту охлаждающей воде qк.
Конденсат проходит через дроссельный вентиль (3), на выходе из кото-
рого рабочее тело имеет давление p2 и температуру T6 , значение которой меньше, чем температура в холодильной камере. В испарителе (4) раствор испаряется за счет подвода теплоты q0 от охлаждаемого объема (5). Из испа-
рителя пар поступает в абсорбер (6), где поглощается при температуре T3 аб-
сорбером, поступающим из генератора через вентиль (8), отдавая теплоту аб-
сорбции qа охлаждающей воде, проходящей через змеевик. Вследствие по-
глощения пара, концентрация хладагента (аммиака) в растворе повышается.
Насосом (7) раствор из абсорбера (6) подается в генератор.
При идеализации работы цикла рассматриваемой установки (полная обратимость процессов, полное выпаривание хладагента из абсорбера) рабо-
134
чий процесс в ней можно представить в виде совокупности прямого (1-2-3-4)
и обратного (5-6-7-8) циклов Карно. Эффективность работы абсорбционной машины можно оценить тепловым коэффициентом
q0 
qг
.
(319)
Следовательно, чем больше отбирается удельной теплоты от охлажда-
емого объема при фиксированном количестве подведенной теплоты в генера-
торе, тем выше экономичность холодильной установки. Действительный цикл абсорбционной холодильной установки характеризуется необратимо-
стью процессов, что приводит к некоторому снижению теплового коэффици-
ента абсорбционной холодильной машины .
13. Циклы двигателей внутреннего сгорания
Термодинамические циклы тепловых двигателей имеют следующие
особенности:
все процессы являются обратимыми и протекают с одним и тем же коли-
чеством рабочего тела;
химический состав рабочего тела постоянен;
процессы сжатия и расширения рабочего тела являются адиабатными;
подвод теплоты к рабочему телу осуществляется от горячего источника;
теплота от рабочего тела передается к холодному источнику;
теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры;
рабочее тело - идеальный газ.
Характеристиками термодинамических циклов тепловых двигателей
являются:
степень сжатия;
степень повышения давления;
135
степень предварительного расширения;
соотношение давлений сжатия.
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Анализ круговых процессов показывает, что термический КПД цикла -
основная характеристика эффективности двигателя, зависит от средней тем-
пературы рабочего тела в процессе подвода теплоты. Поэтому в качестве ра-
бочего тела в двигателе используются продукты сгорания, полученные при сжигании жидкого или газообразного топлива. Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых топливо сжи-
гается в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень.
Несмотря на то, что цикл Карно имеет наивысший КПД, в реальных машинах он не реализуется. Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно рас-
тянутым в координатах р–v, связан с весьма большими значениями удельного объема и давления (рис. 43).
Рис. 43. Цикл Карно в координатах p-v
136 |
|
Отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания Vc / Va |
= vc/va |
(эта величина в поршневых ДВС называется степенью сжатия), работающего
по циклу Карно, достигает 400, а давление в
точке (а) – p = 280 – 300 МПа. Двигатель с такими параметрами нереален,
ибо давление в цилиндрах современных ДВС редко превышает 10 МПа, а
степень сжатия 16 – 18. Кроме того, работа, совершаемая в цикле Карно,
очень мала и двигатель практически будет работать только для самообслу-
живания (на себя).
Для снижения давления в точке (а) и степени сжатия цикл видоизме-
няют: отвод теплоты осуществляют не по изотерме с –d, а по изохоре c1 – d;
подвод теплоты осуществляют не по изотерме a–b, а по изохоре
a1 – b или по изобаре a2 – b. В соответствии с этими изменениями, из цикла Карно, как эталонного, получают два термодинамических цикла ДВС: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) (рис. 43), состоящий из двух изохор и двух адиабат (a1-b-c1-d-a1) и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля), состоящий из изобары a2–b, изохоры с1– d и двух адиабат b–c1 и d–a2 (a2-b-c1-d- a2). Полученные циклы имеют КПД меньше, чем КПД цикла Карно. Однако, двигатели, которые работают по этим циклам, характеризуются меньшими потерями на трение и требуют бо-
лее коротких цилиндров.
Работа поршневых ДВС обычно оценивается с помощью индикаторной диаграммы, которая показывает взаимосвязь давления и объема в цилиндре двигателя при движении поршня. При движении поршня от внутренней мертвой точки М1 к наружной мертвой точке М2 (рис. 44) клапан (I) открыва-
ется и в цилиндр двигателя засасывается заранее приготовленная в устрой-
ствах двигателя смесь воздуха и топлива (в карбюраторных двигателях) при давлении р1 (0–а) (рис. 44).
137
Рис. 44. Теоретическая диаграмма цикла Отто
При движении поршня в обратном направлении клапаны I и II закрыты и смесь сжимается по адиабате а – b до давления р2. Объем уменьшается до
V0, равного объему камеры сгорания цилиндра. В точке M1 происходит вос-
пламенение смеси от электрического разряда и, поскольку рабочая смесь уже заранее подготовлена и хорошо перемешана, она сгорает достаточно быстро и теоретически при постоянном объеме. Цикл Отто иногда называют циклом
быстрого горения.
Выделившаяся теплота продуктов сгорания при v = idem вызывает рез-
кое повышение давления и температуры в цилиндре (b–с). Образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются (с–d), совершая полезную рабо-
ту. В точке М2 открывается выхлопной клапан II и продукты сгорания выбра-
сываются в атмосферу. Считают, что теоретически выхлоп осуществляется в процессе d–а. Оставшиеся в цилиндре двигателя газы при атмосферном дав-
лении р1 выталкиваются поршнем в атмосферу, когда он идет от точки М2 до
138
точки М1 (а–0). Затем цикл повторяется. Замкнутый контур a-b-с-d-а теоре-
тически характеризует работу двигателя за один цикл при сгорании одной порции топлива. Эффективность циклов ДВС и факторов, влияющих на ра-
боту двигателей, удобно и наглядно оценивать в координатах p-v, Т–S на ба-
зе анализа работы термодинамических циклов тепловых двигателей, хотя ре-
альные двигатели и не работают по таким циклам (рис. 45).
Рис. 45. Цикл Отто в координатах p-v (а) и T-s (б)
Процесс (1–2) в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс (2–3) - изохорный подвод теплоты q1, процесс (3–4) - адиабат-
ное расширение и процесс (4–1) - изохорный отвод теплоты q2.
Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты lц 
q1 
q2 
и численно равна площади (1-2-3-4-1). Степень сжатия цикла весьма сильно влияет на КПД цикла. Чем выше степень сжатия, тем выше КПД цикла. Действительно, если в цикле Отто сжатие вести до точки
(2'), а подвод теплоты - по изохоре (2'–3'), то цикл 1-2'-3'-4 будет иметь большую степень сжатия, чем исходный цикл (рис. 45). При этом увеличива-
ется количество теплоты, подводимой к рабочему телу в цикле q1 , при неиз-
менном значении количества теплоты, отводимой от рабочего тела в цикле
139
q2 , что приведет к росту работы КПД цикла
цикла, а, следовательно, и термического
t
1 |
q |
2 |
|
||
|
|
|
|
q |
|
|
|
1 |
.
(320)
Это значит, что КПД цикла Отто растет с увеличением степени сжатия.
Однако возможности повышения степени сжатия в цикле Отто в настоящее время практически исчерпаны. Степень сжатия в таких циклах равна = 10 – 12 и дальнейшее ее повышение невозможно из-за самопроизвольного вос-
пламенения топливной смеси на линии сжатия до того, как поршень подой-
дет к внутренней мертвой точке M1. Самопроизвольное воспламенение топ-
лива возможно из-за чрезмерного повышения температуры смеси в процессе сжатия.
Степень сжатия можно значительно увеличить, если в цилиндре двига-
теля сжимать не топливоздушную смесь, а чистый воздух, а необходимое ко-
личество топлива вводить в цилиндр в конце процесса сжатия, когда темпе-
ратура воздуха становится уже достаточно высокой ( 500 – 600 ºС), обеспе-
чивая самовоспламенение впрыскиваемого топлива, исключая необходи-
мость иметь запальное устройство. Такой идеализированный цикл называет-
ся циклом Дизеля или циклом медленного сгорания. Такое название связано с тем, что подача топлива, его перемешивание с воздухом и сам процесс сгора-
ния требуют определенного времени. Цикл Дизеля состоит из процесса адиа-
батного сжатия (1–2), изобарного подвода теплоты (2–3), адиабатного рас-
ширения (3–4) и изохорного отвода теплоты (4–1) (рис. 46). Степень сжатия в двигателях, работающих по циклу Дизеля, составляет = 14 – 18.
140
а |
б |
Рис. 46. Циклы Отто и Дизеля в координатах p-v (а) и T-s (б)
Сравним между собой циклы Отто и Дизеля при одинаковых парамет-
рах точек (1) и (4) с помощью диаграммы Т–s (рис. 46). Если в этих циклах будет одинаковая степень сжатия ε и одинаковое количество отводимой теп-
лоты q2 , то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля. Действительно,
так как изохора в координатах Т–s идет круче изобары, то количество тепло-
ты q1, подводимой по изохоре (2–3'), будет больше количества теплоты, под-
водимой по изобаре (2–3). Следовательно, КПД цикла, определяемый урав-
нением ηt= 1- q2/q1, получается тем выше, чем больше величина q1 при посто-
янном значении q2.
Сравним теперь эти циклы при одинаковых максимально возможных давлениях в цилиндрах двигателя, что соответствует равенству максималь-
ных температур в конце процесса сгорания топлива, когда общей у них ока-
зывается не точка (2), а точка (3) (циклы 1-2'-3-4 и 1-2-3-4). Количество отве-
денной теплоты q2 в сопоставляемых циклах опять одинаково и определяется площадью 1-4-6-5 (рис. 46б). В этом случае количество теплоты q1, подводи-
мой в цикле Дизеля по изобаре (2–3), будет больше, чем количество теплоты,