![]() Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
![]() Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
![]() |
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания⇐ ПредыдущаяСтр 36 из 36
Анализ круговых процессов показывает, что термический КПД цикла - основная характеристика эффективности двигателя, зависит от средней температуры рабочего тела в процессе подвода теплоты. Поэтому в качестве рабочего тела в двигателе используются продукты сгорания, полученные при сжигании жидкого или газообразного топлива. Поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) называются двигатели, в которых топливо сжигается в цилиндрах, где возвратно-поступательно двигается поршень. Несмотря на то, что цикл Карно имеет наивысший КПД, в реальных машинах он не реализуется. Дело в том, что цикл Карно, будучи сильно растянутым в координатах р – v, связан с весьма большими значениями удельного объема и давления (рис. 43).
Рис. 43. Цикл Карно в координатах p - v
Отношение объема цилиндра к объему камеры сгорания Для снижения давления в точке (а) и степени сжатия цикл видоизменяют: отвод теплоты осуществляют не по изотерме с – d, а по изохоре c1 – d; подвод теплоты осуществляют не по изотерме a – b, а по изохоре Работа поршневых ДВС обычно оценивается с помощью индикаторной диаграммы, которая показывает взаимосвязь давления и объема в цилиндре двигателя при движении поршня. При движении поршня от внутренней мертвой точки М1 к наружной мертвой точке М2 (рис. 44) клапан (I) открывается и в цилиндр двигателя засасывается заранее приготовленная в устройствах двигателя смесь воздуха и топлива (в карбюраторных двигателях) при давлении р1 (0 – а) (рис. 44).
При движении поршня в обратном направлении клапаны I и II закрыты и смесь сжимается по адиабате а – b до давления р2. Объем уменьшается до V0, равного объему камеры сгорания цилиндра. В точке M1 происходит воспламенение смеси от электрического разряда и, поскольку рабочая смесь уже заранее подготовлена и хорошо перемешана, она сгорает достаточно быстро и теоретически при постоянном объеме. Цикл Отто иногда называют циклом быстрого горения. Выделившаяся теплота продуктов сгорания при v = idem вызывает резкое повышение давления и температуры в цилиндре (b – с). Образовавшиеся продукты сгорания адиабатно расширяются (с – d), совершая полезную работу. В точке М2 открывается выхлопной клапан II и продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Считают, что теоретически выхлоп осуществляется в процессе d – а. Оставшиеся в цилиндре двигателя газы при атмосферном давлении р1 выталкиваются поршнем в атмосферу, когда он идет от точки М2 до точки М1 (а – 0). Затем цикл повторяется. Замкнутый контур a-b-с-d-а теоретически характеризует работу двигателя за один цикл при сгорании одной порции топлива. Эффективность циклов ДВС и факторов, влияющих на работу двигателей, удобно и наглядно оценивать в координатах p-v, Т – S на базе анализа работы термодинамических циклов тепловых двигателей, хотя реальные двигатели и не работают по таким циклам (рис. 45).
Процесс (1–2) в цикле Отто характеризует адиабатное сжатие рабочего тела, процесс (2–3) - изохорный подвод теплоты q1, процесс (3–4) - адиабатное расширение и процесс (4–1) - изохорный отвод теплоты q2. Полезная работа в цикле равна разности подведенной и отведенной теплоты
Это значит, что КПД цикла Отто растет с увеличением степени сжатия. Однако возможности повышения степени сжатия в цикле Отто в настоящее время практически исчерпаны. Степень сжатия в таких циклах равна Степень сжатия можно значительно увеличить, если в цилиндре двигателя сжимать не топливоздушную смесь, а чистый воздух, а необходимое количество топлива вводить в цилиндр в конце процесса сжатия, когда температура воздуха становится уже достаточно высокой (
а б
Сравним между собой циклы Отто и Дизеля при одинаковых параметрах точек (1) и (4) с помощью диаграммы Т – s (рис. 46). Если в этих циклах будет одинаковая степень сжатия ε и одинаковое количество отводимой теплоты q2, то КПД цикла Отто будет выше КПД цикла Дизеля. Действительно, так как изохора в координатах Т – s идет круче изобары, то количество теплоты q1, подводимой по изохоре (2–3'), будет больше количества теплоты, подводимой по изобаре (2–3). Следовательно, КПД цикла, определяемый уравнением ηt= 1- q2/q1, получается тем выше, чем больше величина q1 при постоянном значении q2. Сравним теперь эти циклы при одинаковых максимально возможных давлениях в цилиндрах двигателя, что соответствует равенству максимальных температур в конце процесса сгорания топлива, когда общей у них оказывается не точка (2), а точка (3) (циклы 1-2'-3-4 и 1-2-3-4). Количество отведенной теплоты q2 в сопоставляемых циклах опять одинаково и определяется Подачу топлива можно осуществлять так, что одна его часть будет сгорать при постоянном объеме, а другая – при постоянном давлении. Такой цикл называется циклом смешанного сгорания топлива или циклом Тринклера (рис. 47). Из сопоставления рассмотренных циклов видно, что циклы со сгоранием при постоянных объеме и давлении являются частными случаями смешанного цикла. Из диаграммы (рис. 47) видно, что цикл со смешенным подводом теплоты занимает по эффективности промежуточное положение между циклами Отто и Дизеля как в условиях сравнения при одинаковой степени сжатия ε, так и при сравнении по условию одинакового максимального давления в цилиндре двигателя. а б
Выведем уравнение для определения термического КПД смешанного цикла. Количество подводимой теплоты на изохоре (2–3) равно
Сокращая на сvm и вынося Т1 и Т2 за скобку, получаем
Рассмотрим следующие характеристики цикла: степень повышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре λ = р3/p2 и степень расширения рабочего тела в процессе подвода теплоты по изобаре ρ = v4/v3. С учетом выражения для степени сжатия (ε = v1/v2) и уравнения состояния идеального газа (pv=RT) можно полуить следующие соотношения:
Используя уравнение адиабаты, соотношения температур Т5/T1 и Т1/T2 можно привести к следующему виду:
Подставляя соотношения (323 и 324) в выражение (322), находим
Из уравнения (325) видно, что КПД цикла со смешанным подводом теплоты растет с увеличением ε и λ и с уменьшением ρ. Если ρ = 1, то цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл Отто, термический КПД которого находится из соотношения
Если λ = 1, то смешанный цикл превращается в цикл Дизеля, термический КПД которого находится из выражения
Анализ циклов поршневых ДВС позволяет сравнивать их между собой, определять перспективу повышения эффективности циклов, оценивать характер изменения эффективности циклов при изменении внешней нагрузки, степени сжатия и т. д.
Циклы газотурбинных установок (ГТУ) Газотурбинной установкой принято называть такой двигатель, где в качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива), а в качестве тягового двигателя применяется газовая турбина. Термин турбина происходит от латинского слова turbo – волчок. В отличие от поршневых ДВС, где процессы сжатия, подвода теплоты и расширения осуществляются в одном и том же цилиндре, в газотурбинных установках эти процессы происходят в различных элементах установки, в которые последовательно попадает поток рабочего тела (рис. 48).
Рис. 48. Принципиальная схема газотурбинной установки
Газотурбинная установка простейшей схемы работает следующим образом: наружный воздух поступает на вход компрессора (1), где сжимается по адиабате (1–2) до давления р2 (рис. 48, 49). После сжатия в компрессоре воздух поступает в камеру сгорания (2), куда одновременно подается а б Рис. 49. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении в координатах p-v (а) и T-s (б) В газотурбинных установках, так же как и в поршневых двигателях внутреннего сгорания, подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри). В цикле Брайтона теплота подводится в непрерывном потоке сжатого воздуха, а в цикле Гемфри - в камере сгорания специальной конструкции, которая периодически отключается от газовой турбины, что вызывает пульсацию потока рабочего тела. Для снижения пульсаций в ГТУ, работающих по циклу Гемфри, устанавливаются несколько (6-12) камер сгорания. Несмотря на некоторое преимущество (более высокий КПД ГТУ при равной степени повышения давления сжатия в компрессоре), ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме пока не нашли практического применения главным образом из-за сложности конструкции камер сгорания и более низкой надежности. Коэффициент полезного действия термодинамического цикла ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Брайтона) определяется соотношением
Для газотурбинных установок в отличие от поршневых ДВС вместо степени сжатия вводят параметр, характеризующий степень повышения давления рабочего тела в компрессоре С = р2/р1. Выразим отношение температур в выражении (328) через соотношение давлений сжатия для компрессора С, используя уравнения адиабаты для идеального газа, в виде следующей системы уравнений:
Поскольку р3 = р2, а р4 = р1, то T4/T1 = T3/T2. С учетом этого равенства и системы уравнений (329), выражение для определения термического КПД цикла Брайтона примет вид
Из соотношения (330) следует, что КПД цикла Брайтона повышается с увеличением значения степени повышения давления рабочего тела в компрессоре С. Эффективность цикла газотурбинной установки можно повысить, усложняя схему ГТУ, в частности введением регенерации теплоты отходящих газов (рис. 50). а б
![]()
В ГТУ с регенерацией теплоты отходящих газов продукты сгорания после газовой турбины (4) перед их выбросом в атмосферу поступают в регенератор (2), где подогревают сжатый воздух, сжатый в компрессоре (1) перед его поступлением в камеру сгорания (3). Таким образом, при постоянной температуре газов перед турбиной Т 3 сжатый воздух после компрессора на участке (2 – а) изобары (2 – 3) подогревается отходящими из турбины газами и только на участке (а – 3) он нагревается за счет сжигания топлива. Площади 2-a-b-c и b-4-f-e характеризуют соответственно количество теплоты, подводимой к воздуху и отводимого от продуктов сгорания в процессе регенерации теплоты, что приводит к снижению количества подводимой теплоты, а работа цикла, определяемая площадью 1-2-3-4, остается без изменения. Это и приводит к увеличению КПД цикла ГТУ с регенерацией теплоты по сравнению с КПД ГТУ без регенерации теплоты отходящих газов.
ЛИТЕРАТУРА 1. Белоконь Н.И. Термодинамика. – М.: Госэнергоиздат, 1954. – 416 с. 2. Поршаков Б.П., Бикчентай Р.Н., Романов Б.А. Термодинамика и теплопередача (в технологических процессах нефтяной и газовой промышленности): Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 349 с. 3. Теплотехника: Учебник для втузов / А.М. Архаров, И.А. Архаров, В.Н. Афанасьев и др.; Под общ. Ред. А.М. Архарова, В.Н. Афанасьева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э Баумана, 2004. – 712 с.
Date: 2015-05-09; view: 2598; Нарушение авторских прав |