Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехника. Учебное пособие
.pdf
71
НМТ---
Конечное давление в последней ступени при их числе z
равно: рк = р1/ Например, если = 7 и р1 = 0,1 МПа, то в одноступенчатом компрессоре рк = 0,7 МПа; в двухступенчатом –
4,9, а в трехступенчатом – уже 34,3 МПа и т.д.
6.3. Двигатель внутреннего сгорания
В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) непосредственно в цилиндре под поршнем сжигается жидкое или газообразное топливо и получаемая при этом теплота здесь же преобразуется в работу.
Поршневые ДВС по сравнению с любыми другими тепло-
выми двигателями являются наиболее экономичными. Они широко используются на транспорте, в сельском хозяйстве, в перерабатывающих отраслях, особенно в местах, не охваченных
сетью районных электростанций.
Двигатели внутреннего сгорания бывают с внутренним
(карбюраторные и газовые) и с внешним (дизельные) смесеобразованием. Принципиальная схема ДВС с внутренним смесеобразованием представлена на рис. 6.5.
ВМТ
Рис. 6.5. Принципиальная схема поршневого двигателя
внутреннего сгорания
В цилиндре 4 совершает возвратно-поступательное дви-
жение поршень 5 за счет вращения кривошипа 7 посредством
72
шатуна 6. Для подачи рабочего тела в цилиндр и удаления продуктов сгорания предусмотрены впускной 2 и выпускной 3 клапаны. Для воспламенения горючей смеси используется запальная свеча. Крайние положения поршня называются верхней
мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход
поршня от одной до другой мертвой точки называется тактом.
Объем, описанный поршнем за один ход, является рабо-
чим объемом цилиндра, а сумму рабочих цилиндров двигателя,
выраженную в литрах, принято называть литражом двигателя.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры
сгорания называется степенью сжатия двигателя ε. Для идеального цикла ДВС:
Для анализа работы ДВС пользуются индикаторными
диаграммами, которые показаны на рис. 6.6.
ε = v1/v2. (6.5)
Рис. 6.6. Индикаторная диаграмма четырехтактного (а)
и двухтактного (б) двигателей: А – выхлопное окно;
Б – продувочное окно
В четырехтактном двигателе (рис. 6.6, а) процессы совершаются в таком порядке: 0-1 – впуск горючей смеси (1 такт);
1-2 – сжатие смеси и 2-3 – ее воспламенение (2 такт); 3-4 – рабочий ход (3 такт) и 4-0 – выхлоп (4 такт). Из всех четырех так-
73
тов только в третьем получается полезная работа, а остальные
служат для ее получения.
В двухтактном двигателе (рис. 6.6, б) рабочий процесс
осуществляется за два хода поршня: 0-1-2-3 – продувка цилиндра, впуск новой порции смеси, ее сжатие и воспламенение
(1 такт); 3-4-0 – рабочий ход и выхлоп (2 такт). В этом двигателе очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его
новой порцией производится продувочным воздухом через специальные окна, открываемые поршнем.
Карбюраторные (или газовые) двигатели работают по
циклу Отто с «мгновенным сгоранием» топлива при v = const. В
качестве топлива в них используют легковоспламеняемые жидкости или газы (бензин, керосин, спирты, синтетические или
природные газы.
С термодинамической точки зрения реальные циклы ДВС
не являются замкнутыми и обладают признаками необратимого
цикла: наличие трения, химических реакций (при горении), конечные скорости поршня (изменение направления движения),
теплообмен при конечной разности температур. Поэтому для
анализа циклов ДВС термодинамика исследует идеальные, обратимые циклы. При этом полагают, что рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью; подвод тепла к газу осуществляется извне, а не за счет сгорания смеси; отвод тепла –
аналогично.
В соответствии с теоретическим циклом (рис. 6.7) иде-
альный газ сжимается адиабатно (1-2) до точки 2. В изохорном
процессе 2-3 к нему подводится теплота q1. От точки 3 рабочее
тело расширяется по адиабате 3-4, в результате чего получается
полезная работа и в изохорном процессе 4-1 от газа отводится
теплота q2, эквивалентная теплоте уходящих выхлопных газов
действительного двигателя.
74
Рис. 6.7. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания
с подводом теплоты при v = const в p-v- и T-s-координатах
(цикл Отто)
Термический КПД цикла Отто увеличивается с ростом
степени сжатия ε. Так, при постоянной теплоемкости
При равных показателях адиабаты в процессах расширения, сжатия
Т3/Т4=Т2/Т1= ;
Т3/Т2=Т4/Т1= .
Тогда для рассматриваемого цикла ДВС
=1- 1/ . (6.6)
где к – показатель адиабаты.
Предельные значения ε ограничены условиями возникновения самовоспламенения горючей смеси при сжатии. У современных бензиновых двигателей ε = 6÷11; газовых ε = 5÷10.
По расчетам термический КПД при ε = 10 приблизительно равен ƞt = 0,61.
75
Компрессорные дизели, работающие по циклу Дизеля с постепенным сгоранием топлива при p = const, в качестве рабочего
тела могут использовать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо: нефть, мазут, смолы, каменноугольные и соляровое масла.
Дизельный двигатель исключает недостатки предыдущего,
так как степень сжатия в нем может составлять до ε = 18. Это достигается в результате раздельного сжатия воздуха и топлива.
В цилиндре двигателя сжимается чистый воздух, температура которого в конце процесса значительно выше температуры воспламенения топлива. В конце сжатия в цилиндр через
форсунку впрыскивается топливо, для расширения которого используется воздух, сжатый в многоступенчатом компрессоре до
давления, в 1,2–2 раза превышающего давление в цилиндре.
Теоретический цикл Дизеля показан на рис. 6.8. В отличие от термодинамических процессов цикла Отто здесь теплота
q1 подводится в ходе изобарного процесса, поэтому
Рис. 6.8. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания
с подводом теплоты при p = const в p-v- и T-s-координатах
(цикл Дизеля)
Учитывая, что степень предварительного расширения р =
v3/v2, а степень повышения давления λ. = р3/р
2
(6.7)
76
Анализ выражения (6.7) показывает, что с увеличением ε
и показателем адиабаты (к) КПД двигателя увеличивается, а с
увеличением р – уменьшается.
Рассматриваемый ДВС имеет ряд недостатков, обусловленных 10 % потерей мощности на привод компрессора, сложной конструкцией форсунок и др., а потому в настоящее время
такие двигатели не строятся.
Бескомпрессорные дизели работают по циклу Тринклера
и классифицируются как ДВС со смешанным сгоранием топлива
частично при v = const, частично при p = const.
В цилиндре этих двигателей тоже сжимается очищенный
атмосферный воздух, а жидкое топливо, сжатое специальным
топливным насосом до давления 30–40 МПа, подается в форсунку и в мелкодисперсном виде разбрызгивается в цилиндр в
конце такта сжатия.
Цикл Тринклера в p-v- и Т-s-диаграммах показан на рис. 6.9.
Рис. 6.9. Диаграмма цикла двигателя внутреннего сгорания
со смешанным подводом теплоты в p-v- и Т-s-координатах
(цикл Тринклера)
В соответствии с обозначениями в цикле подводимая теплота q1 = q1’+ q1”, поэтому
С учетом таких характеристик ДВС, как ᶓ, λ и ⍴:
77
(6.8)
Из выражения (6.8) следует, что КПД цикла с увеличени-
ем к, ᶓ, λ возрастает, а с ростом ⍴ – уменьшается.
В этих двигателях обычно принимают ᶓ = 10÷14, λ =
1,2÷1,7 и ⍴ = 1,1÷1,5.
Отсутствие компрессора в таких дизелях обеспечило широкое их применение для автомобилей, тракторов, строительных и дорожных машин.
Эффективная мощность всех рассмотренных ДВС, имеющих z цилиндров, при частоте вращения кривошипа n, c-1, ходе поршня h, тактности τ и механическом КПД ηм:
где рi – среднее индикаторное давление, кПа.
При прочих равных условиях мощность двухтактных ДВС
теоретически в 2 раза больше четырехтактных, однако из-за различных потерь фактически она больше примерно в 1,7 раза.
Экономичность двигателей определяется делением расхода топлива В, кг/с, на эффективную мощность и измеряется в
кг/(кВт∙ч):
be = B/Ne.
Эффективный КПД современных карбюраторных и газовых двигателей ηe = Ne/BQ
P
(Q
– теплота сгорания топлива, кДж/кг). Необходимо учиты-
H
вать, что с выхлопными газами теряется 25–50 % теплоты.
P
= 21–30 %, а дизельных – 30–45 %
H
78
Глава седьмая
ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН
Холодильными машинами называются машины, непре-
рывно поддерживающие температуры тел ниже температуры
окружающей среды.
Холодильные машины подразделяются на воздушные, паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины,
принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка-Хильша.
7.1. Цикл воздушной холодильной машины
В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента используется атмосферный воздух. Эти установки
не получили широкого распространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конструкции.
Схема воздушной холодильной машины представлена на
рис. 7.1.
Рис. 7.1. Схема воздушной холодильной машины
Принцип действия воздушной холодильной машины заключается в следующем. В компрессоре 1 воздух сжимается до
давления р2 и нагнетается в теплообменник (охладитель) 2, где
от него отводится часть теплоты в количестве q1, полученной в
результате сжатия. Затем сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр, или детандер 3, где расширяется до начально-
79
21
22
qq
q
l
q
го давления. При расширении температура воздуха понижается
до –60…– 70 °С. Холодный воздух направляется в теплообменник (охлаждаемое помещение) 4, где к нему подводится теплота
в количестве q2.
На рис. 7.2 представлены диаграммы идеального цикла
воздушной холодильной установки в Т-s и p-v-координатах.
Рис. 7.2. Диаграммы идеального цикла
воздушной холодильной машины
Рассмотрим процессы цикла: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре 1 от давления р1 до давления р2; 2-3 – изобарный процесс отвода теплоты q1 внешнему источнику, сопровождающийся понижением температуры рабочего тела от Т2 до
Т3; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в детандере 3 с
понижением температуры от T3 до T4; 4-1 – изобарный подвод
теплоты к рабочему телу в теплообменнике 4 с возрастанием его
температуры от Т4 до Т1.
Холодильный коэффициент этой установки определяется
по формуле
(7.1)
80
7.2. Цикл паровой компрессорной
холодильной установки
В парокомпрессорных холодильных установках в качестве
рабочего тела используются низкокипящие жидкости. Благодаря
этому рабочий цикл можно расположить в двухфазной области
состояния, в которой изобарные процессы подвода и отвода
теплоты можно заменить на изотермические и тем самым
уменьшить потери, связанные с необратимостью процессов.
Принципиальная схема установки и диаграмма цикла в Т-
s-координатах представлены на рис. 7.3.
Установка работает следующим образом. В компрессоре 1
происходит адиабатное сжатие пара (процесс 1-2). В конденсаторе 2 холодильный агент вначале охлаждается (процесс 2-2')
при постоянном давлении и затем конденсируется (процесс 2'-3)
с отдачей в окружающую среду теплоты q1. В дроссельном вентиле 3 происходит процесс дросселирования (процесс 3-5) с
превращением жидкости во влажный пар. В испарителе 4 влажный пар принимает теплоту q2, и содержащаяся в нем жидкость
испаряется (процесс 5-1).
а) б)
Рис. 7.3. Принципиальная схема паровой компрессорной
холодильной машины (а) и диаграмма цикла (б)
Процесс дросселирования в дроссельном вентиле является
существенно необратимым процессом, и на диаграмме он изображается условной кривой 3-5. Если вместо дроссельного вен-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]