книги / Техническая термодинамика и теплопередача
..pdfстаточно долговременно, так что с отводом поршня от ВМТ давление остается постоянным из-за постоянного поступле ния топлива и его сгорания.
Найдем КПД.
Введем обозначения: р = -jj- — степень предварительного
*2
расширения; е = -^- — степень сжатия.
V2
<7i |
Qi |
Qi |
Qi - срРэ “ ^г). Яг - cv(^4" ^i)i
„ _1 |
M W , ) |
_____[4 -J \ |
' |
M W ) |
к(Т3-Т гУ |
Как связаны температуры на линии 2-3 (изобара): |
||||
р^з = ЯГ3; pv2 = ЯГ2; Ъ . = к = р ^ т г = Ъ.. |
||||
|
|
V2 |
Т2 |
р |
Рассмотрим адиабату 3-4: |
|
|
||
|
|
|
|
-«f-D |
— |
= 5 — степень адиабатного расширения. |
|||
V3 |
|
|
|
|
Аналогично |
|
|
|
|
Tw*-i _ т , / - 1 |
V т _ т |
\fc-1 |
/ Х-(Я-1) |
|
|
|
|||
2V 2 |
~ ' г 1 |
^ '1 “ '2 |
|
|
|
|
|
, = i . |
1 |
р ( W |
’ р Е * - ’ ' |
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
л, - 1 |
Т Щ ) - ™ |
- (^з/Ре*~') _■[ |
(Г,/8)-(Г,/ре>-1) |
||||
|
x f r - m |
] |
|
|
*Pi-(T,/p)] |
||
|
0 /8 м ) -(1 /ре*-') |
|
|
|
|||
|
* [ I - ( V P )] |
' |
|
|
|
||
Если учесть, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
в = ^ |
; 8 = А ; |
р = — |
,то |
|||
|
|
|
|
|
|
*2 |
|
|
|
|
|
|
1 1 1 : 6 р. |
||
|
|
|
|
|
3 |
^2 |
|
КПД цикла Дизеля: л, = |
1- - |
1 |
|
|
|||
|
р - 1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цикл со смешанным подводом теплоты |
||||||
|
|
|
|
|
|
Этот цикл реализуется в |
|
|
|
|
|
|
|
бескомпрессорных дизелях |
|
|
|
|
|
|
|
с предварительным распы |
|
|
|
|
|
|
|
лением топлива, внутренним |
|
|
|
|
|
|
|
смесеобразованием и само |
|
|
|
|
|
|
|
воспламенением от сжатого |
|
|
|
|
|
|
|
в цилиндре 2 до высокой |
|
|
Рис. 26. Схема |
|
|
температуры воздуха. |
|||
бескомпресорного дизеля: |
|
Топливо под давлением |
|||||
1 - поршень; 2 - |
цилиндр; |
|
(3 0 -4 0 МПа) через меха |
||||
3,5 - |
клапаны; 4 - |
форсунка; |
ническое распыливающее |
||||
|
6 - предкамера |
|
|
устройство (форсунку) 4 по |
|||
|
|
|
|
|
|
дается в предкамеру 6, где |
происходит быстрое сгорание при постоянном объеме (рис. 26). Окончательное догорание смеси происходит в цилиндре 2, как
и в компрессорных двигателях при постоянном давлении.
Рис. 27. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты
|
в pv-диаграмме |
Цикл состоит из следующих процессов (рис. 27): |
|
1- |
2 — адиабатическое сжатие воздуха; |
2- |
3 — изохорный подвод теплоты (g1v - быстрое сгорание |
топлива в предкамере);
3- |
4 - изобарный подвод теплоты д1р (горение рабочей сме |
си в цилиндре); 4- 5 - адиабатное расширение продуктов сгорания;
5 - 1 — изохорный отвод теплоты д2 (выпуск газов).
Определение термического КПД цикла Тринклера:
лт _ 1 |
^2 |
_ 1_____ Су(^5 7j)____ |
(4.2) |
|
(% + 9 iр) |
сЛ^з ~Т2) + ср(ТАТ3) |
|
|
|
где Г,, Т2— температура воздуха, поступающего в двигатель; Г„ Т41 Т5— температура газов после сгорания топлива и на
выходе из двигателя.
Выражение (4.2) позволяет получить формулы для г|, цик лов Отто и Дизеля. Если принять Г4= Т3, то
сЛ-т,)
Л? = 1- с Л - т })-
Если Г2= Т3, то
Л Г . -I |
Cvfil5 |
7j) |
Л Д - 1 . |
сЛт5 - г Л |
■1" |
^ |
Г |
л' |
ср(Т*-Тз) |
Сравним рассмотренные циклы Опо, Тринклера и Дизеля при одинаковых конечных давлениях и температурах и неизменном количестве отве денной теплоты (q2 про
порциональна площади 51АВ5 = const; рис. 28).
При одинаковых средних температурах отвода теп лоты Т * средняя темпера
тура подвода теплоты Ггср в цикле Дизеля выше, чем в цикле Тринклера, а в цик ле Опо ниже, чем в цикле
Рис. 28. Сравнение циклов
Тринклера: Т% > Т$ > Т$.
Учитывая, что средняя тем пература отвода теплоты в
Цикл, который реализуется в современных дизель-моторах, пред ложил доктор технических наук, профессор Тринклер Густав Васильевич. Он также предложил двигатель, в котором жидкое топли во впрыскивалось непосредственно в цилиндр через форсунку без вспо могательного компрессора. Топливо впрыскивалось в цилиндры с по мощью специального поршенька.
В 1904 г. был построен первый двигатель со смешанным циклом подвода тепла. Экономичность двигателя была высока. В 1905 г. на чался выпуск таких двигателей, но их надежность оказалась невелика, и новые двигатели распостранения не получили.
После Октябрьской революции он принимал активное участие в соз дании многих отечественныох двигателей, был инициатором примене ния прямоточно-клапанной продувки и вел большую педагогическую работу в Горьковском институте инженеров водного транспорта.
'1
соотношение их термических КПД:
„ д . т ^ О Л? > Л * >Л г
Т.е. цикл Тринклера занимает промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля.
Реальные циклы ДВС отличаются от рассмотренных тео ретических циклов неидеальностью рабочего тела, измене нием его количества, необратимостью процессов цикла, за паздыванием срабатывания клапанов и др.
4.2. Циклы газотурбинных установок
Эта штука работает лучше, если включить ее в электрическую сеть.
Электрозакон Сэттинджера
Газотурбинная установка (ГТУ) — один из видов теплового двигателя.
Превращение теплоты в работу осуществляется в несколь ких агрегатах ГТУ (рис. 29).
аb
Рис. 29. Схема газотурбинной установки: ТН - топливный насос; КС - камера сгорания;
К - компрессор; Т - турбина; ЭГ- электрогенератор
Сначала воздушный компрессор сжимает атмосферный воз дух, повышая его давление, и непрерывно подает его в камеру сгорания. Туда же топливным насосом непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива. Затем образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее через сопловой аппарат с повышенной температурой и почти тем же давлением, что и на выходе из компрессора. Сле довательно, горение топлива происходит при постоянном дав лении.
В газовой турбине продукты сгорания адиабатно расширя ются, в результате чего их температура снижается, а давление уменьшается до атмосферного.
Весь перепад давлений р3- р , используется для получе ния технической работы в турбине /тю. Большая часть этой ра боты lt расходуется на привод компрессора; разность /тю - /к
является полезной и используется, например, на производ ство электроэнергии в электрогенераторе.
Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты (линия 2-3 на рис. 30), а охлаждение выброшенных в атмосфе
ру продуктов сгорания — изобарным отводом теплоы (линия 1-4), получим
цикл ГТУ:
|
1- |
2 (da) — сжатие ра |
|
бочей тела от атмосфер |
|
|
ного давления до давления |
|
|
в двигателе; |
|
|
2- |
3 (a b)- горение в ка |
|
мере; |
|
|
3- |
4 (Ь с)- процесс ади- |
Рис. 30. Цикл газотурбинной |
абатного Расширения ра- |
|
установки |
бочеготела; |
4-1 (сс/)— отработанные газы выбрасываются в атмосферу.
Полезная работа ^изображается площадью, заключенной внутри контура цикла (площадь 1-2-3-4). На рисунке видно,
что полезная работа равна разности между технической рабо той, полученной в турбине (площадь 6-3-4-5), и технической
работой, затраченной на привод компрессора (площадь
6-2-1-5).
Вычислим КПД ГТУ:
Q p t W iL j Ш 7 -1 -Р cp ( h ~ h )
считаем ср= const.
Одной из основных характеристик цикла ГТУ является сте пень повышения давления в компрессоре п равная отноше нию давления воздуха после компрессора р2 к давлению пе
ред ним р,, т.е.
71 = Р2/Р г
Выразим отношение температур через степень повыше ния давления из уравнения адиабаты:
4.3. Процессы в компрессионных машинах
Мышление является страданием.
Аристотель
К компрессионным машинам относятся компрессоры, вен тиляторы и насосы. В этих машинах осуществляется повыше ние давления (компрессия) рабочего тела за счет совершения над ним работы. В насосах рабочим телом является жидкость, в компрессорах и вентиляторах - газ. В отличие от вентилято ров, имеющих небольшое избыточное давление, компрессоры и насосы предназначены для создания более высоких давле ний.
Р
Рис. 31. pv-диаграмма и схема поршневого компрессора
Рассмотрим термодинамические процессы, протекающие в идеальном поршневом компрессоре (рис. 31), не имеющем вредного пространства (когда в крайнем левом положении поршень 3 касается цилиндра 4 без зазора), и при отсутствии
трения и потерь работы.
При движении поршня 3 слева направо через всасываю щий клапан 2 происходит заполнение цилиндра 4 газом (ли ния 4-1).
При закрытых клапанах 1 и 2 и движении поршня справа
налево осуществляется сжатие газа от давления р, до давле ния р2, ему соответствует линия 1-2. Точка 2 соответствует открытию нагнетательного клапана 1, газ выталкивается в ре зервуар или сеть высокого давления (линия 2-3). Далее кла пан 1 закрывается и процесс повторяется.
Работа /„, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа в компрессо ре, графически на рис. 31 изображается площадью 1-2-3-4-1
и определяется как алгебраическая сумма трех работ: работы /,.2, затраченной на сжатие 1 кг газа (площадь 1-2-а-Ь-1)\ ра
боты выталкивания /2.3 (площадь 2-3-0-а-2); |
работы всасыва |
ния /4., (площадь 4-1-Ь-0-4). |
|
К - ^1-2 + h-z+ ^4-г |
(4.3) |
В процессе выталкивания давление р2 = const, а объем из меняется от v2до v3 = 0. Тогда имеем:
V2
Процесс всасывания происходит при р, = const от объема 1/4 = 0 до объема v,. Работа всасывания:
Подставим выражения для /2.3 и /4И в (43), получим:
(4.4)