Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силовые агрегаты. Курс лекций для студентов 4 курса факультета механизации сельского хозяйства, обучающихся по направлению подготовки 190600.62 - Эксп
.pdf
21
l = Cv (T1 - T2); cP - cv = R, разделим на c
1
k
v
TT
P
P
c
;
p
c
v
1
k
1
2
P
P
211
1
k
,
1
VPVP
1k
1
k
P
P
2
1
P
2
P
1
11k
c
p
R
1
c
R
l
vP
22
vP
11
l
Выразим l через соотношение объемов V
V
1
V
2
P
P
2
1
c
vv
1k
P
2
P
1
VP
1
1k
k
R
c
v
VP
221121
P
P
1k
1
2
1
1
1k
VP
2211
vP
11
подставим в l
1k
k
111
2
21
1
V
V
VP
l
Полная работа
1k
mR
L
1.4.5 Политропный процесс
В политропном процессе все параметры газа (P,v,T и ∆u) являются переменными и одновременно происходит теплообмен между те-
1k
TT
1
mRT
1k
VP
1k
T
T
21
1
1
1k
1
V
V
111
2
лом и внешней средой. Доли теплоты, расходуются на: изменение
u
внутренней энергии (φ=
ся неизменными в течении всего процесса.
); на совершение работы (1-φ=
q
l
), остают-
q
22
Уравнение политропы имеет вид (по аналогии с адиабатным):
P
T
(P,v,T, ∆u = Var) Pvn = const
n
P
P
2
1
V
1
[P,v]
V
2
где n – показатель политропы.
Из характеристического уравнения: PV = RT
n
P
2
P
1
T
T
2
; Tv
1
vRT
12
RTv
12
1n
v
1
v
2
T
1
2
v
2
1
v
T
Из уравнения определяем
P
P
1
n
2
1
1
1n
T
2
T
1
T
const
1n
n
, или
или
n-1
= const
v
1
v
2
v
T
2
v
T
1
и сравниваем их
T
2
T
1
P
1
2
[T,V]
1
1n
1n
n
v
1
v
2
P
P
const
1
n
2
1
Работа политропного процесса
n1n
vP
1
1n
l
P
211
P
1
или
l
V
V
vP
1
1n
Политропный процесс – это обобщенный процесс.
1n
111
2
23
Рисунок 1.5 – Политропный процесс
const
P
Pv
const
Pv
А. n=0;
Б. n= ∞;
В. n=k;
0
k
constPv
- изобарный процесс;
1
- адиабатный процесс;
constv;constvPPv
- изохорный процесс;
Г. n=1
- изотермический процесс.
1.5 Основные показатели теплоиспользования циклов
Циклом называется совокупность процессов, происходящих в
определенной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в начальное состояние.
Критерием для оценки теплового цикла служит термический кпд,
представляющий собой отношение количества теплоты, превращенной в полезную работу, к количеству подведенной теплоты
Q
1
2
Q
,
1
Q
QQ
21
1
L
Q
1
t
где Q1 – количество теплоты, подведенное к рабочему телу от постороннего источника, кДж;
Q
количество теплоты, отведенное от рабочего тела холод-
2 –
ному источнику, кДж.
24
Термический кпд всегда меньше 1, т.к. Q2 > 0. Эта неизбежная
потеря в условиях реального кругового процесса часто весьма велика
и составляет 50…75% от подводимой в цикле теплоты (Q1).
Удельная работа цикла – отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу к рабочему объему двигателя
м
Н
233
Па
, т.е. удельная работа цикла численно равна
Дж
м
Нм
м
среднему постоянному давлению за цикл.
P
QQ
V
h
t
L
V
ц
h
21
Q
V
1
1
h
Q
Q
Q
2
1
21
Q
.
t
1
1.6 Адиабатно-изотермический цикл (цикл С. Карно)
Самым экономическим циклом, являющимся эталоном для сравнения, с наиболее полным превращением теплоты в работу является
цикл Карно [французский инженер Сади Карно - 1824]. Однако двигатель, работающий по этому циклу, на практике не осуществим из-за
бесконечно медленных процессов изотермического сжатия и расширения. Как имеющий по сравнению с другими известными циклами
наибольший термический КПД, он служит эталоном для их сравнения
и показывает степень совершенства реальных тепловых двигателей.
Рисунок 1.6 – Цикл С.Карно
Линии:
1-2 – изотермическое расширение;
25
2-3 – адиабатное расширение;
const
Tv1k
3-4 – изотермическое сжатие;
4-1 – адиабатическое сжатие.
Для осуществления цикла Карно система тел должна иметь два
источника (тепловых):
– источник высокой температуры, от которого рабочее тело полу-
чает тепло Q1 ;
– источник более низкой температуры, которому отдается тепло
Q2.
QQ
Q
21
1
t
Q
1
2
или
Q
1
t
qq
21
q
1
q
1
2
q
1
Так как за цикл внутренняя энергия рабочего тела не изменяется,
то полезная работа цикла совершается за счет расхода тепловой
энергии источника с высокой температурой.
Причем, часть теплоты Q2 неизбежно отводится холодильнику.
T
Вывод (
t
t
2
1
):
T
1
qq
21
q
1
q
2
1
;
q
1
v
2
lgRT303.2lq
1211
lgRT303.2lq
1211
v
v
v
;
1
2
;
1
v
3
lgRT303.2lq
v
3
lg
T
1
t
T
v
lg
4
.
v
2
v
1
2
1
2432
v
;
4
Рассмотрим адиабаты расширения и сжатия:
Для адиабаты 2-3:
1k
v
3
v
2
T
T
1
2
26
Для адиабаты 4-1:
const
Tv1k
1k
v
4
v
1
T
1
, следовательно
T
2
Тогда
Вывод:
1.
2.
3. При Т
– всегда меньше 1, т.к. не может быть
t
возрастает с повышением Т1 и с уменьшением Т2.
t
v
3
v
2
t
t
= Т2,
1
v
4
, или
v
1
v
RT3032
lg.
2
v
1
v
RT3032
lg.
1
v
T
2
1
.
T
1
=0, т.е. невозможно превратить теплоту в работу
t
v
3
v
4
3
4
1
2
1
T
T
v
2
v
1
2
;
1
T
1
или Т2 = 0.
при отсутствии температурного перепада между двумя тепловыми источниками.
Например:
Ò
Если для ДВС: Т1 = 25000К; T2 = 3000K, то
В таком цикле Р
= 10000 кг/см2 , ε = 1500;
max
2
t
- 1
T
1
0,88.
Цикл Карно осуществить практически невозможно, т.к. двигатель
имел бы весьма значительные размеры из-за очень высоких давлений. При этом имели бы место большие потери на трение.
Цикл Карно дает возможность судить о степени совершенства
сравниваемых циклов и положен в основу II закона термодинамики –
полный переход теплоты в работу невозможен.
II закон термодинамики (имеет много формулировок):
В круговом процессе подводимая теплота (q1) не может быть полностью превращена в работу, часть этой теплоты (q2) отводится в холодный источник.
27
ЛЕКЦИЯ 2
ТЕМА 2: Теоретические циклы ДВС
Цель лекции: На основе рассмотрения теоретических циклов
определить пути улучшения использования тепла в ДВС.
2.1 Общие сведения
В реальном ДВС преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую сопровождается комплексом сложных физико-химических и термодинамических процессов. Совокупность процессов периодически повторяющихся в полости
цилиндра и составляют цикл ДВС.
Действительный цикл, состоящий из реальных, сложно протекающих процессов, очень трудно анализировать при помощи обычных
термодинамических соотношений. Поэтому, чтобы оценить степень
совершенства процессов, происходящих в ДВС и определить пути
для улучшения использования тепла, принято действительные циклы
сравнивать с теоретическими.
Замкнутые теоретические циклы в отличие от действительных
процессов, происходящих в цилиндре двигателей, характеризуются
следующими допущениями:
1. Циклы являются замкнутыми и протекают с постоянным количеством одного и того же рабочего тела. Нет процессов впуска и выпуска и обусловленные этим потери.
2. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, т. е.
без теплообмена с окружающей средой, с одинаковыми и постоянными показателями адиабат.
3. Состав и теплоемкость рабочего тела остается постоянным.
4. Подвод теплоты производится от постороннего источника только при постоянном объеме и постоянном давлении.
5. Отсутствуют какие-либо потери теплоты (в т. ч. на трение, излучение, гидравлические потери и т. п.), кроме отвода теплоты холодному источнику.
Практическое значение для поршневых ДВС имеют пять теорети-
ческих циклов:
1. Цикл с подводом теплоты при V=const, что примерно соответствует карбюраторному двигателю.
28
2. Цикл с подводом теплоты при P=const, что примерно соответ-
ствует компрессорному дизелю.
3. Цикл со смешанным подводом теплоты, что примерно соответ-
ствует дизелю без наддува.
4. Теоретический смешанный продолженный цикл с переменным
давлением газов перед газовой турбиной.
5. Теоретический смешанный продолженный цикл с постоянным
давлением газов перед газовой турбиной.
Что касается цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух
адиабат, то он не может быть практически применим, т. к. получается
незначительная мощность при очень высоких температурах и давлениях в цилиндре.
Рассмотрение и анализ теоретических циклов позволяет решить
три задачи:
1. Оценить влияние различных факторов на ηt и Pt (термического
КПД и среднего давления) и установить оптимальное значение этих
факторов.
2. Провести сравнение различных теоретических циклов с точки
зрения лучшей экономичности.
3. Получить числовые значения ηt и Pt, которые могут являться
критериями для оценки степени совершенства реальных двигателей.
Цикл со смешанным подводом теплоты является обобщающим, и
мы начнём рассмотрение его:
2.2 Цикл со смешанным подводом теплоты
Цикл Тринклера – Сабате (Тринклер – российский ученыйтеплотехник, Сабате – французский ученый). По такому циклу работают двигатели с воспламенением топлива от теплоты сжатия и его
впрыском непосредственно в цилиндр. Реализация цикла возможна в
относительно малом диапазоне частот вращения вала, обычно от 600
до 2500 об/мин и в редком случае до 3200 об/мин. Ограничение максимальной частоты вращения объясняется трудностью организации
смесеобразования топлива с воздухом за очень малый промежуток
времени.
29
4
z
Рисунок 2.1 – Цикл со смешанным подводом теплоты
ac – адиабата сжатия;
сz/ - подвод тепла при v = const (изохорный);
z/z – подвод тепла при p = const (изобарный);
zb – адиабата расширения;
ba – отвод теплоты при v=const (изохорный).
Vn – обьём, освобождаемый поршнем при его перемещении от
ВМТ до НМТ (рабочий объем цилиндра двигателя)
2
D
V
h
,S
где D – диаметр цилиндра, дм;
S – ход поршня, дм;
Vc – объём камеры сгорания, л;
Va – полный объём цилиндра двигателя, л.
Относительными показателями цикла являются:
'
P
P
V
V
P
z
c
z
c
z
- степень повышения давления (т.к. Рz=P
P
c
V
z
- степень предварительного расширения (т.к. Vc=Vz′)
'
V
’
)
z
30
k
V
B
- степень последующего расширения;
V
z
C
p
- показатель адиабаты;
C
v
V
a
V
V
V
1
1
Часть теплоты подводится при V=constQ
’’
.
1
1
t
P=constQ
2.2.1 Термический КПД смешанного цикла
c
a
;
c
V
h
;
V
c
V
a
;
V
h
Q
2
VV
hc
V
c
V
V
V
V
V
V
'''
QQ
11
1
V
h
c
a
c
h
h
a
- степень сжатия;
V
c
1
1
1
1
.
’
, а часть при
1
T
TCTTCQ
здесь (введем искусственный прием записи):
P
z
c
k
c
- адиабата расширения;
P
;
a
P
P
P
P
P
P
P
P
V
a
V
c
c
a
P
b
P
a
b
z
z
c
k
P
b
P
z
V
z
V
b
- степень повышения давления;
- адиабата сжатия
b
avabv2
T
a
P
TC1
b
av
P
a
)()()( 1
;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]