2522

Различают три вида сопел (рис.20):

1)цилиндрические;

2)суживающиеся;

3)комбинированные.

Рис. 20

Давление газа на выходе из сопла P1 всегда больше его давления при выходе из сопла P2 . И наоборот удельный объем газа при входе V1 < V2 . Таким образом, в соплах происходит расширение газа при падении его давления. Наибольший практический интерес представляет истечение газа из сопел при отсутствии теплообмена между газом и внешней средой – так называемое адиабатное истечение. Основными характеристиками такого истечения являются расход газа через сопла М и скорость истечения газа С.

Опыты показывают, что расход газа через сопло при адиабатном истечении находится в определенной зависимости от отношения давлений P2’/P1 (рис.21), (P1 – давление газа при входе в сопло и P2’ – давление внешней среды, в которую происходит истечение газа).

нием давления среды p2/ расход газа увеличивается и достигает

41

Скорость газа при выходе из сопла с (рис.22) также находится в определенной зависимости от отношений давлений p2/ p1 .

Для цилиндрических и суживающихся характер зависимости показан сплошной линией и для комбинированных сопел – пунктирам.

уменьшении p2/ p1 скорость газа остается неизменной и сохраняет максимальное значение. Для комбинированных сопел скорость непрерывно растет с уменьшением p2/ p1 .

Очевидно, что в случае цилиндрических и суживающихся сопел скорость газа при выходе из сопла не может быть больше критической скр. В случае комбинированных сопел скорость газа может быть равной или больше критической.

1.6.3. Дросселирование газов и паров

Дросселирование называется процесс прохождения газа или пара через сужение.

Рис. 23

42

Вследствие сопротивлений потоку при прохождении через сужение давление газа при дросселировании всегда падает. Это па-

дение давления p1 p2 будет тем больше, чем больше сужение.

Для адиабатного дросселирования уравнение 1-го закона термодинамики имеет вид:

Опыты показывают, что в области умеренных скоростей изменением кинетической энергии газа при дросселировании можно пренеб-

речь, т.е. 0 i1 i2 .

Таким образом, при адиабатном дросселировании энтальпии газа в начале и конце процесса одинаковы. Процесс дросселирования широко встречается в приборах для изменения расхода газов и паров, в приборах для измерения сухости пара х, а также в системах регулирования паровых и газовых турбин и в холодильных установках.

Практические задачи, связанные с дросселированием водяного пара, целесообразно решать при помощи i – S диаграммы

(рис.24).

Рис. 24

Пусть в начале дросселирования известны t1 и p1 и в конце p2. Точка 2 находится путем проведении из точки 1 прямой, перпендикулярной оси i до пересечения с изобарой p2. По положению точки 2 из диаграммы находятся все параметры состояния пара в конце дросселирования.

43

Анализ формулы (1.141) показывает, что термодинамический КПД цикла ДВС с подводом тепла при const можно повысить, если увеличить степень сжатия ε. Неконтролируемое увеличение ε приводит к явлению детонации. Эффективный КПД таких двигателей достигает порядка 25%.

б) Цикл ДВС с подводом тепла при p const .

По этому циклу работают компрессорные дизели.

В системах координат p – v и T - S цикл выглядит следующим образом (рис.26).

46

После, подставили (1.148), (1.153) и (1.154) в (1.147) окончательно получим

48

Анализ формулы (1.155) показывает, что термодинамический КПД цикла двигателя с подводом теплоты при p const возрастает с

Поскольку в указанном двигателе сжимается не смесь топлива с воздухом, а чистый воздух, то в них допустимы более высокие степени сжатия. По этой причине компрессорные дизели имеют более высокую экономичность, чем карбюраторные. Их эффективный КПД достигает 35%.

в) циклы ДВС с комбинированным подводом тепла при const и p const .

По этому циклу работают бескомпрессорные дизели.

Теоретический цикл двигателя с комбинированным подводом тепла в системах координат p –v и T – S изображается следующим образом (рис.27).

Рис. 27 Цикл составляют следующие процессы:

1-2 – адиабатное сжатие газа (воздуха); 2-3 – и 3-4 – соответственно изохорный и изобарный подвод тепла к

газу; 4-5 – адиабатное расширение газа; 5-1 – изохорный отвод тепло от газа.

Параметрами цикла являются:

49

Выражение для термического КПД цикла получается аналогично вышеизложенному и имеет следующий вид:

Анализ этой формулы показывает, что термодинамический КПД цикла двигателя с комбинированным подводом тепла можно повысить путем увеличения степени сжатия и степени повышения давления и снижением степени предварительного расширения. Эффективный КПД цикла доходит до 40%.

1.7.2. Цикл газотурбинной установки (ГТУ) с подводом тепла при p const

Поршневые ДВС имеют целый ряд существенных недостатков. К ним относятся невозможность осуществления в цилиндре полного адиабатического расширения продуктов сгорания до атмосферного давления и невозможность повышения быстроходности двигателя. Этих недостатков лишены газотурбинные установки, которые в последнее время находят все более широкое применение в качестве транспортных двигателей и силовых установок на газопроводах. Наиболее распространенные ГТУ с подводом тепла при p const .

На рис.28 представлена схема такой ГТУ.

50