Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

17.6 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718 / 4018 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 > Следующая >>>

Глава VII

ЦИКЛЫ СУДОВЫХ Д И З Е Л Е Й

§ 28

Идеальные циклы

В реальном дизеле осуществляется необратимый цикл при переменных количестве и теплоемкости рабочего тела и с частичной диссоциацией его при высоких температурах. Параметры рабочего тела, к. п. д. и работа в реальном цикле зависят от многих факторов, трудно поддающихся изучению. Поэтому целесообразно идеализировать реальный цикл, существенно упростив его, и рас смотреть только влияние основных факторов. В наиболее простом идеальном цикле принимаются следующие упрощающие допущения:

—рабочим телом является идеальный газ;

—количество газа, его состав и теплоемкость в цикле не изме няются;

— процессы	сжатия и расширения рабочего тела происходят
без теплообмена	с окружающей средой;

— действительный процесс сжигания топлива заменяется обра тимым процессом подвода тепла к рабочему телу, а процесс выпуска газов из цилиндра — обратимым процессом отвода тепла от рабочего тела.

Несмотря на указанные допущения, анализ идеального цикла позволяет выявить основные закономерности, справедливые и для реальных циклов. Рассмотрим обобщенный идеальный цикл поршне

вых двигателей	внутреннего	сгорания.
Обобщенный	идеальный цикл ДВС		(рис.	119).	Цикл состоит
из двух адиабат1 ас и zb, двух		изохор су	и bf	и двух	изобар уг и fa.

Начальное состояние рабочего тела (точка а) характеризуется параметрами: давлением ра, удельным объемом va и абсолютной температурой Та.

Осуществим в определенной последовательности процессы, в совокупности образующие обобщенный цикл.

1. Произведем адиабатное сжатие рабочего тела от начального

объема va до объема vc. Отношение vajvc — е называется	степенью
сжатия.
Параметры рабочего тела в конце адиабатного сжатия	определя

ются в зависимости от их значений в начале сжатия и степени сжатия-

Рс = Ра*к;

(63)

1 В идеальных циклах поршневых двигателей адиабатные процессы являются одновременно и изоэнтропийными.

170

Затрата работы на адиабатное сжатие
или после подстановки значений рс и vc из (63)
lac = / W * - 1	1 — „fe-l	(64)
На рис. 119, а эта работа представляется площадью		1 ас21.
У 2

О 2 3	1	U V	0 sa
Рис.	119. Обобщенный		идеальный цикл ДВС.

2. Сообщим	рабочему телу,	не изменяя		его объема		vc,	тепло
в количестве q[, необходимом для повышения давления от рс							до ру.
Отношение £У- = Х называется степенью			повышения		давления		в про-
Рс							у
цессе подвода	тепла.
Так как в	изохорном процессе ~Рс =		'с	, то,	выразив		пара-
метры точки у через начальные		параметры		рабочего тела, получим
	РУ =	Рс£кк
							(65)
Количество тепла, подведенного в процессе су, составит
	q[ =	Cv(Ty~Tc)
или после подстановки значений		Тс и Ти	из (63) и (65),
	q[ =	cvTaak-\k-l).					(66)
На рис. 119,6 тепло q[ представляется площадью					sacysysa.
3. Сообщим	рабочему телу,	не изменяя		его давления ру,			тепло
в количестве q'[, необходимом, чтобы объем рабочего тела						увеличился

171

от vy до vz. Увеличение объема в процессе подвода тепла характери зуется степенью предварительного расширения

Уv y

					v	Т	то	параметры		рабочего
Так как в изобарном процессе — — — ,							то	параметры		рабочего
					Vy	1 у
тела в точке г могут быть выражены в виде:
		а)	рг	=	Ра£кк
		б)	vz	=	va-					(67)
		в)	Т,=		Ta&k~lkp.
Количество тепла, подведенного в процессе								yz,
			Ч\ =		Ср(Гг-Ти)
или	после преобразования
		q'l =		cvTa&k~Xkl{p—\).						(68)
На рис. 119,6 это тепло представляется							площадью syyzsbsy.
Работа, совершенная рабочим телом при увеличении объема на
участке		yz,	Kjz = РУ (vz			— vy)
			Kjz = РУ (vz			— vy)
или после подстановки vy и vz из (65) и (67)
		lyz =		PaVa*k-14p-l).						(69)
На рис. 119, а 1уг представляется площадью 2yz32.										от объема
4.	Произведем адиабатное				расширение		рабочего тела			от объема
vz до	vb.	Отношение	=	6	называется		степенью		последующего

расширения. Параметры рабочего тела в конце процесса последующего расширения определяются в зависимости от их значений в начале процесса и степени расширения

Рь • Pz

vz8;

(70)

Выразив p„ Tz и vz через pa, Ta и va, получим

Рь pae.kX .

vb =

Tazk~l%9

172

Работа,

произведенная

рабочим телом при увеличении объема от

до

vb,

I.zb •

после

преобразования

запишется в виде

ck-1

(71)

На рис. 119, а 1гЬ представлена площадью 3z643.

vb, тепло

5. Отведем теперь от рабочего тела, не изменяя

объема

в количестве q2 с целью понижения

давления от рь до

pf = ра.

Отношение

— =

называется

степенью

понижения

давления

процессе

тепла.

отвода

Так

как -BL=

то

выразив'

рь,

и Ть через ра,

va и

Та,

получим

Ра с*

6KY

рб

(72)

Т, = Т,

Количество

тепла

q2,

отведенного

в процессе bf,

определяется

из

выражения

q'2 =

cv(Tb-Tf)

или после

преобразования

„* - 1 •

(73)

Продолжим

отвод тепла

от рабочего

тела,

не изменяя

его

давления pf = ра до замыкания

цикла в точке а. При этом объем

рабочего тела уменьшится

от V/ до va. Отношение -^L = Z называется

степенью

уменьшения

объема

в процессе

отвода

тепла.

Так

как

—

= ^~ , то параметры рабочего тела в конце процесса fa могут быть

'а

через начальные параметры следующим образом:

выражены

Ра = Ра gfey'

Va =

Рб .

(74)

а — т

о* —1

1 а

173

Количество тепла		q"2, отведенного		в изобарном	процессе fa,
		ql == ср (Ts	—	Та)
после преобразования		представится	в виде
		q"2 = c0Tak(Z-l).			(75)
Работа	lfa, затраченная при изобарном			уменьшении	объема от Vf
до v a ,	равна
		ha = Pa(Vf —		Va)
ИЛИ
		Ifa^PaVae"-1-^-.			(76)

Параметры процессов, составляющих цикл е, Я, р, б, Y и Z, являются также параметрами цикла. Соотношения между ними находятся из выражений (74):

а) - 4^ = 1;

(77)

в ) -г-т—- = 1 •

Из шести параметров обобщенного цикла только четыре могут быть приняты независимо. Так, например, если принять е, X, р, б в качестве независимых, то Y и Z окажутся зависимыми от принятых значений е, Я, р и 6.

Так как из	выражения (77, б) отношение -\|- равно				то подставив
их поочередно	в выражение (77, в), получим
	a)	Kpk	=	Ylh;
	б)	\гк	=	Кб*. J	( 7 8 )

Показатели экономичности и работоспособности обобщенного цикла. В соответствии с общим выражением для термического к. п. д. обобщенного цикла получим

<7i — Яг __ ]

Ь + ?2

^<7i + 9i

или, учитывая полученные ранее выражения (66), (68), (73), (75) и (776),

,	Z ( Y - l ) + k ( Z - l )	1	т
Ч - 1	я - 1 + А Я ( р - 1 )	'	( '

Полезная работа цикла

~Ь

^fo 4JC

174

или с учетом		(64),	(69), (71) и		(76)
'ц = /даft-i			Я ( р _ 1 )		Яр			г — 1
'ц = /даft-i			Я ( р _ 1 )		/г — 1		с /г — 1	oft-l
				k — 1				(80)
				k — 1
Одной	из	важных		характеристик			является	среднее давление
в цикле, определяемое как отношение							работы к изменению объема
рабочего	тела	в цикле:
				=		=	/ц8
				=	Уд	=	(eZ — 1) t i a
				Zva-	Уд
					8
	Ц р - 1 ) +			кр			Z — 1	A — 1
eZ —	Ц р - 1 ) +			k - 1				A — 1
								(81)

Частные случаи обобщенного цикла ДВС. Придавая какому-либо из параметров обобщенного цикла частное значение, равное единице, получим частные циклы. Так как идеальные циклы призваны слу жить прототипами реальных циклов двигателей, то целесообразно разбить возможные частные циклы на две группы. Циклы первой группы характеризуются значением параметра Z = 1, а второй — значением Y — 1. Если дополнительно параметрам к или р придать значение, равное единице, то получим новые частные циклы, при надлежащие указанным группам.

Циклы первой группы могут служить прототипами реальных циклов поршневых двигателей без наддува, а циклы второй группы — прототипами циклов двигателей с газотурбинным наддувом.

Таким	образом,		получим:
							a)	Z = 1 1
	циклы			группы	I		б) Z =		1 ;	* = 1
							в)	Z =	1;	р = 1
							a)	Y = 1
	циклы			группы	I I		б)	Y=	1 ;	Ь = 1
							в)	Y=	1 ;	р = 1
Цикл группы I I		Y =		1, X =	1	идентичен				рассмотренному ранее
простому	циклу	ГТУ.
К- п. д. цикла,			характеризуемого					значением Z = 1 (рис. 120),
согласно	выражению		(79) равен
				,		Y -	l			1
					•1 Л-kk		( Р — 1)		е	fc-i

175

Так как по (78, а) при Z = 1, Y = крк, то, заменив в последнем равенстве Y его значением, получим

Хрк-\	1	(82)
4t =		(82)
4t =

Работа в цикле найдется из выражения (80) при частном зна чении 2 = 1 :

		I	(83)
/ц = A W * - 1	1		(83)

		Рис. 120. Идеальный цикл дизеля без наддува.
Среднее	давление		в цикле	из выражения		(81)	равно
k	г	Ч Р - П	* , Р	1 О	й - i f 1			(84)
8 — 1
Цикл при Z = 1 является				прототипом цикла дизеля без наддува
с механическим впрыском топлива в цилиндры.
Значения		к. п. д.,	работы	и среднего давления в циклах Z				= 1,
% = 1 и Z =		1, р — 1 приведены в табл. 2.					Y = 1 (рис.
Рассмотрим цикл,			характеризуемый значением					121).
Этот цикл	является		циклом	продолженного		расширения. К- п- д-

цикла найдем также из выражения (79) при значении У, равном единице

Л/	k(Z—\)	1
Л/	l - f - U ( p - l )	е * - 1
	l - f - U ( p - l )	е * - 1
или, так как по (78, а) при 7 = 1 Z = рк к		,
	\

Я - 1 + А Я ( р - 1 ) е * - 1 '	(85)

176

Т а б л и ц а 2 Характеристики идеальных циклов ДВС

J2 Т. Е. Эдельман

177

Работа и среднее давление определяются из выражений (80) и (81).

Цикл при Y = 1 может служить прототипом реального цикла дизеля с газотурбинным наддувом и механическим впрыском то

плива в	цилиндры.	работы и среднего давления в циклах Y — 1,
Значения к. п^д.,		работы и среднего давления в циклах Y — 1,
к — 1 и	Y = 1, р =	1 приведены в табл. 2.
		5)

0 2	3	О	s„
	Рис. 121. Идеальный цикл дизеля		с газотурбинным наддувом.
	§ 29
	Расчетный	и действительный		циклы
	Параметры	процессов и рабочего тела. Как			ука
зывалось	ранее, идеальный	цикл содержит		предположения,	не

соответствующие действительности. Цикл, более близкий к действи тельному, и в то же время достаточно простой, ясный для понима ния описываемых процессов и удобный для определения параметров

рабочего тела, разработан В. И. Гриневецким и	развит	мно
гими исследователями, особенно Е. К- Мазингом.
Диаграмма расчетного цикла дизеля изображена	на рис.	122-

В отличие от диаграмм идеальных циклов здесь по горизонтальной оси отложен не удельный, а полный объем газа в цилиндре. При сопоставлении ее с действительной индикаторной диаграммой (см. рис. 89) наибольшее отличие наблюдается на участках, отображаю щих процессы сгорания топлива и газообмена.

В расчетном цикле Гриневецкого—Мазинга учитываются действи

тельные свойства		рабочего	тела,	изменения количества		и состава
его	в процессе осуществления			цикла.	Учитывается также, хотя
и в	интегральной	форме	(суммарно),		теплообмен между	рабочим

телом и. окружающей средой.

Результаты расчета по методу Гриневецкого—Мазинга полу чаются достаточно близкими к действительным при условии правиль ного выбора ряда коэффициентов, получаемых опытным путем и различных для двигателей разных типов и размерности.

178

В настоящее время имеются более точные методы расчета рабо


чего цикла. Тем не менее		методика	расчета,	предложенная Грине
вецким, сохраняет до сих		пор свое	значение	вследствие того, что
она позволяет	просто и с достаточной точностью определить в первом
приближении	значения параметров		рабочего	тела, экономичность

и среднее давление в цикле. Рассмотрение цикла ведется в расчете на 1 кг топлива.

Сопоставим процессы расчетного цикла ДВС с процессами иде ального и действительного циклов.

Процесс зарядки. Рабочее тело, осуществляющее идеальный цикл, не нуждается в замене, так как его количество и состав не изменяются.

Рис. 122. Расчетные циклы четырех- и двухтактных дизелей.

В расчетном цикле, с целью приближения к реальному, изменения количества и химического состава рабочего тела учитываются, вследствие чего принимается, что каждый новый цикл осуществляется новой порцией рабочего тела, имеющего начальные параметры со стояния, количество и состав. В действительном цикле давление воздуха в цилиндре при зарядке непрерывно изменяется в связи с изменением скорости поршня и сопротивления впускного тракта

(см.	рис. 89).	В	расчетном цикле	оно принимается постоянным
(см.	рис. 122),	но	для приближения	к действительности — завися

щим от частоты вращения дизеля, проходного сечения впускных органов, длины, конструкции и чистоты внутренней поверхности впускного тракта. У дизелей без наддува давление ра обычно на

5—15%	меньше, чем давление во впускном коллекторе, а у дизелей
с наддувом — на 3—10%. В расчетном цикле температура Та опре
деляется с учетом теплообмена со стенками цилиндра и остаточными
газами	из уравнения теплового баланса при зарядке

M0c'vT0 + MrC"vTr = (М0 + Мг) Та,

179

<<< < Предыдущая 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718 / 4018 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ