738

v1 . v2

Величина зависит от количества подведенной теплоты q1 в изохорном процессе и определяется по выражению:

p3 . p2

Значения температур в точках цикла позволяют определить количество подведенной и отведенной теплоты по формулам:

q1 = cv(T3 – T2) = cv( к-1T1 - к-1 T1) = cv( -1) к-1 T1; q2 = cv(T4 – T1) = cv( T1 – T1) = cv( -1)T1.

Анализ выражения (5.3) показывает, что работа цикла растет с увеличением и .

По циклу с изохорным подводом тепла работают ДВС на легких фракциях горючего.

5.2.2. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты

Сгораемое в ДВС топливо представляет собой смесь какого-либо горючего с воздухом. Если в цилиндре сжимать вначале воздух, а затем подавать туда распыленное горючее под высоким давлением, то можно избежать и детонации преждевременного воспламенения. Эта раздельная подача позволяет существенно повысить степень сжатия, а, следовательно, и КПД и использовать в качестве горючего более тяжелые фракции переработки нефти. Создание двигателя, использующего этот принцип, связано с именем немецкого инженера Р. Дизеля (1858-1913), поэтому двигатели с раздельным сжатием называют д и з е л ь н ы м и.

В дизелях горючее подается в цилиндр в конце такта сжатия. Так как температура находящегося в цилиндре сжатого воздуха высокая, топливная смесь воспламеняется. В процессе горения, несмотря на то, что поршень перемещается, давление остается постоянным.

Идеальный цикл с изобарным подводом тепла, рис.5.5, состоит из следующих процессов:

1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;

82

Получим выражение термического КПД этого цикла, для чего определим параметры в точках 2,3,4.

Вычислим значения теплоты в процессах 2-3 и 4-1: q1 = cp (T3 –T2) = cp ( -1) к 1 T1

q2 = c v(T4 -T1) = cv ( к -1)T1.

После подстановки q1 и q2 в формулу термического КПД и сокращения, получим:

Отсюда следует, что термический КПД цикла с изобарным подводом тепла зависит от степени сжатия , величины показателя адиабаты к и степени предварительного расширения

Он возрастает с увеличением и к и уменьшением .

При одинаковых степенях сжатия термический КПД цикла с изобарным подводом тепла ниже, чем у цикла с изохорным подводом тепла, так как

изобарных ДВС используются более высокие значения , чем в изохорных двигателях, что повышает их экономичность.

83

Здесь числитель – полезно используемая теплота цикла, она эквивалентна площади изображенных циклов. Знаменатель – отведенная теплота, она одинакова для всех циклов. Из рис.5.6 наглядно видно, что термический КПД изобарного цикла самый максимальный из рассматриваемых.

5.3. Идеальный цикл газотурбинного двигателя

Газотурбинные двигатели относятся к ДВС. Они обладают многими преимуществами по сравнению с поршневыми двигателями. Это, в первую очередь, большие мощности при сравнительно малых габаритах и достаточно высокая экономичность.

В качестве компонентов топлива в газотурбинных двигателях используются жидкое или газообразное горючее и воздух как окислитель. Принципиальная схема авиационного газотурбинного двигателя приведена на рис.5.7, где 1 – компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – турбина, 4 – реактивное сопло

Рис.5.7

Сжатый в компрессоре воздух с высоким давлением и значительной температурой подается в камеру сгорания, туда же через форсунки поступает горючее. Перемешанная топливная смесь воспламеняется и сгорает. Высокотемпературные продукты сгорания устремляются к расширительной машине

– турбине. В сопловом аппарате рабочее тепло разгоняется до высокой скорости, а на рабочих лопатках турбины кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу, приводя во вращение ротор турбины. От ротора турбины крутящий момент передается компрессору и другим потребителям мощности.

Внекоторых типах авиационных газотурбинных двигателей часть энергии рабочего тела используется для создания реактивной силы (тяги двигателя).

Вгазотурбинных стационарных и авиационных двигателях сгорание топлива осуществляется при постоянном давлении.

Идеальный цикл изобарного газотурбинного двигателя, рис. 5.8, включает следующие процессы:

85

3 – паровая турбина, выполняющая функции расширительной машины; 4 – электрогенератор;

На основании длительного исследования свойств водяного пара и работы паровых машин шотландский ученый У.Д. Ренкин создал теоретический цикл паросиловой установки, который носит его имя. На рис. 5.10 и 5.11 Представлен циклРенкина в pv и Tsкоординатах.

Основными процессами здесь являются:

1–2 – адиабата расширения перегретого пара в турбине; 2–3 – изотерма конденсации пара; 3–4 – подача воды насосом в котел; 4–5 – подогрев воды в котле;

5–6 – образование влажного пара в котле; 6–1 – перегрев насыщенного пара в пароперегревателе. Процесс 4 –5 – 6 –1 – изобарный.

Подвод и отвод тепла в цикле происходит при постоянном давлении. Тогда количество теплоты в процессе 4–5–6–1, используемой для нагрева воды, парообразования и перегрева, выразим через энтальпии:

87

Второй так – подвод теплоты к рабочему телу. Объем газа остается постоянным, так как рабочий поршень практически не изменяет своего положения (рис. 5.12,б) а вытеснительный поршень хотя и перемещается, но увеличение объема над поршнем равно его уменьшению под поршнем. Давление же повышается по причине подвода теплоты к газу в регенераторе 1. Процесс 2–3 – изохора подвода теплоты.

Третий такт – процесс расширения газа в рабочем цилиндре. Температура в процессе поддерживается неизменной за счет подвода теплоты к рабочему телу в нагревателе (рис.5.12, в). Процесс 3– 4 – изотерма расширения (рабочий такт).

Четвертый такт – охлаждение рабочего тела. Объем газа в рабочем цилиндре практически не меняется (рис.5.12, г), а давление уменьшается вследствие отвода теплоты в охладителе. Процесс 4–1 – изохора отвода теплоты.

Таким образом, идеальный цикл двигателя Стирлинга состоит из двух изотерм 1–2 и 3–4 и двух изохор 2–3 и 4–1.

Идеальный цикл двигателя Стирлинга в pv и Ts – координатах изображен на рис.5.13.

p

T

Рис.5.13

Для определения термического КПД цикла используем известное выражение:

t 1 q2 . q1

Теплота q1 подводится к рабочему телу только в третьем такте и с учетом первого закона термодинамики она будет равна:

q1 = RT3 ln v4/v3,

где T3 – наивысшая температура рабочего тела в цикле. Отведенная от рабочего тела теплота в первом такте

q2 = RT2 ln v1/v2,

где T2 – наинизшая температура рабочего тела в цикле.

Теплота, которая отводится от рабочего тела в четвертом такте при перетекании газа из верхней полости вытеснительного цилиндра в нижнюю,

90