Теоретичні основи теплотехніки (стр. 16 из 35)

Цей коефіцієнт залежить від виду спалюваного палива, конструкції пічки і способу перемішування палива зповітрям

16. Аналіз циклів теплових двигунів. Двигуни внутрішнього згорання

Теплові установки поділяють на теплові двигунн, в яких здійснюється прямнй цикл з віддачею роботи зовнішньому споживачу і на холодильні установки, які працюють по зворотньому циклу проти годинникової стрілки з затратою роботи, яка підводиться ззовні.

В свою чергу теплові двигуни можна розділити на три основні групи: двигуни внутрішнього згорання, в яких процес підводу теплоти і перетворення її в роботу проходить в середині циггіндра двигуна; газотурошні установки і реактивні двигуни, в яких процес горіння палива є ча ситною робочого процесу, паросилові установки, де теплота надається робочому тілу в окремому агрегаті - паровому котлі, а перетворення теплоти в роботу - впаровійтурбіні.

Огільним дггя циклів теплових двигунів перших двох груп є використання в якості робочого тіла газоподібних продуктів горіння, які на протязі щклу знаходяться в одному і тому ж стані і при відносно високих температурах їх можна вважати ідеальним газом Характерною рисою теплових двигунів третьої груги є використання таких робочих тіл, які в циклі мають фазові зміни і гідчиняються законам реальних газів.

Аналіз циклів теплових двигунів гроводягь в два етапи:

Спочатку аналізують теоретичний (оборотний), а потім реальний (необоротний).

Степінь досконалості теоретичних циклів повністю характеризується величиною термічногоККД

ηt=lo/qi=(q1-q2)/q1=1-q2/q1 (16.1)

де q1-кількість гідведеноїтеплоти;

q2 -кількість відведеної теппоти.

Ефективність реального необоротного циклу оцінюється внутрішнім ккд.

ηi=li/q1 (16.2)

де lі, -дійсна робота в необоротному циклі.

Для встановлення степеня необоротності циклу використовують поняття відносного внутрішнього ККД, який представляє собою відношення дійсної роботи li до теоретичної lо:

η0i=li/l0 (16.3)

Коефіцієнт показу наскільки реальний цикл менш досконалий, ніж теоретичний.

ηi=ηt∙η01

Крім необоротних втрат, які враховує внутрішній ККД, в теплосиловій установці є ряд інших втрат (втрати теплоти в навколишнє середовище, на тертяв підшипниках).

Відношення дійсної корисної роботи lB відданої споживачу до кількості затраченої теплоти q1 називається ефективним ККД:

ηB=lB/q1 (16.4)

В реальних необоротних процесах (циклах) теплових двигунів спостерігається необоротність двох видів: викликана наявністю тертя і завихрення в потоці робочого тіла і обумовлена наявністю кінцевої різниці темпер атур.

Оцнка ефективності циклів теплових двигунів методом ККД враховує втрати, викликані внутрішньою необоротністю, але не враховує втрат, викликаних кінцевою різницею температур в процесі підводу і відводу теплоти. Зовнішня необоротність приводить до втрати роботоздатності теплоти, тобто,

до невикористання її температурного рівня

В теплових установках найбільша зовнішня необоротність має місце в процесах підводу т еплоти від верхнього джерела до робочого тіла, температура якого значно менша температури джерела теплоти 3 термодинамічної точки зору необхідно завжди прагнути підвищигитермічнийККД.

16.1 Цикли двигунів внутрішнього згорання

В двигунах внутрішнього згорання (д.вз.) в результаті згорання палива в циліндрі зростає тиск продуктів згорання, який передається на поршень, поступальний рух якого за допомогою кривошипно-шатунного механізму, перетворюється в обертовий рух колінчатого валу. Характер дійсних процесів в цих двигунах відбиває індикатор на діаграма.

В циклі зпідведенням теплоти поізохорі (карбюраторному двигуні) при рул поршня від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМГ) за рахунок створення розрідження і при відкритому всмоктуючому клапані в циттіндр із змішувача (карбюратора) гюстугвє горюча суміш, яка складається із парів бензину і повітря. Цей процес всмоктування називається першимтактом роботи дв.з- тактомвсмоктування(оа) (рис 16.1.1).

При зворотному русі поршня від НМТ до ВМТ всмоктуючий клапан закритий і горюча суміш разом з газами, які залишитись в цигтіндрі від попереднього циклу, піддається стисненню (ас). Цей процес утворює другий такт роботи двигуна - такт стиснення. Процес стиснення проходить по політропі, середній гюказник якої n1 =1,25 -1,35.

Рис 16.1.1 Індикаторна діаграма карбюраторного д.в.з. 1- всмоктуючий клапан; 2-свіча; 3-випускний клапан.

В кінці такту стиснення за допомогою свічки запалювання в циліндр подається електрична іскра, від якої загоряється стиснута робоча суміш. В першу чергу загоряються гари робочої суміші, які знаходяться ошя електродів свічки. Фронт полум'я зі швидкістю 40-50 м/с поширюється по напрямі до днища поршня Не дивлячись на таку високу швидкість згорання, поршень встигаєвсе ж відійти по напрямі до НМТ, в результаті чого процес згорання в рv - координатах (се) буде позначатися не вертикальною прямою, а похилою,близькою доізохори.

В точці г закінчується процес види мого згорання, на протязі якого встигає згоріти приблизно 80-85% всього палива, яке знаходиться в робочій суміші, і тому в цій точці буде максимальний тиск. Страва точки z (8-12% по куті обертання колінчатого валу) знаходиться і максимальне значення температури при згоранні. Робоча суміш догоряє на початку процесу розширення, починаючи від точки z і продовжується до моменту, поки не почне відкриватися випус кний клапан.

Закінчується процес розширення в точці b (НМТ). Сукупність процесів сг і zb - третій такт роботи двнгуна, який носить назву робочого ходу. При русі поршнявідНМТ до ВМТ через відкритий випускний клапан продукти згорання

виштовхуються із циліндр а. Четвертий такт роботи двигуна називається тактом випуску.

Індикаторна діаграма двигуна, в якому згорання палива проходить при постійному тиску (дизелі) показана на рис. 16.1.2

Рнс. 16.1.2 Індикаторна діаграма дизеля. 1 -всмоктуючий клапан; 2 -форсунка; 3- випускний клапан.

Принципова відмінність дизеля від карбюраторного двигуна полягає в тому, що на першому такті в циліндр поступає повітря. На другому такті повітря стискається і коли поршень підходить до ВМГ (за 25-15° по кугу обертання) то через форсунку, розміщену в головці цилівдра, вприскується розпилене рідке паливо під тиском приблизно 200-300 бар. Прн дуже короткому часі, який відводиться на процес вприскування, перемішування і згорання процес протікає з деяким підвищенням тиску.

Для термодинамічного аналізу процесу дійсні процеси заміняють оборотними термодинамічними процесами, атакожвважають, що в циліндрі на протязі всього циклу кількість і склад робочого тіла (газу) незмінні.

Теплоємність робочо го тіла приймається незалелмою від температури, а самеробоче тіло розглядається як ідеальний газ.

З термодинамічної точки зору ідеальний двигун внутрішнього згорання, якілюоийіншнй двигун, повинен би працювати за циклом Карно. Але двигун, в якому підведення і відведення теплоти проходить по ізотермі створити не вдалось. Практично найбільш зручним виявилось підводити теплоту по ізохорі або ізобарі або змішаним способом - ізохорі і ізобарі. Відведення теплоти завжци проходить по ізохорі.

В відповідності з цим розроблено три теоретичних цикли:

з підведенням теплоти при v=const

з підведенням теплоти при р = const;

зі змішаним підведенням теплоти.

Цикл з підведенням теплоти при постійному об'ємі (v=const) є прототипом робочого процесу в двигунах з постороннім запаленням (карбюраторні двигуни)рис 16.1.3.

Особливістю такихдвигунів є стиснення горючої суміші.

Цикл складається із двох адіабат і двох ізохор

Рис 16.1.3 Цикпз підведенням теплоти поізохорі в РV i TS-діаграмах Адіабата 1-2 відпжідає стисненню горючої суміші, 2-3 - ізохора згорання, 3-4 - процес адіабатного розширення. В ізохорному процесі 4-1 від газу відводиться теплота q2.

Цикл з ізобарним підведенням теплоти (р=const) складається із двох адіабат, ізобарні ізохори (дизельні двигуни) (рис.16.1.4).

В цих двигунах спочатку стискається по адіабаті 1-2 чисте повітря, в результаті чого його температура підвищується до потрібної температури самозагорянняпалива. Потім в ізобарному процесі 2-3 проходить вприскування і горіння палива (підведення теплоти q). Дальше проходить адіабатне розширення 3-4 і по тім ізохорний випуск 4-2.

Цикли із змішаним підведенням теплоти характерний для безкомпресорних двигунів важкого палива з внутрішнім суміш еутворенням.

Спалювання палива в таких двигунах спочатку проходить по лінії v=const ( зпідвиїценнямтиску, а потім при постійному тиску (рис 16.1.5).

Дня характеристики циклів двигунів внутрішнього згорання в нкорн ст овують ся п о няття:

v 1/v2=ε - степінь стиснення;

р3/p2=λ - стегінь підвищення піску;

v4/v3=ρ -степінь попереднього розширення.

Температуру газу в вузлових точках циклу можна визначити через почапсову температуру, якщо прийняти робоче тіло за ідеальний газ. Дня адіабатного процесу 1-2:

T2=T1εk-1

Для із охорного проц есу 2-3:

T3=λT2=T1εk-1λ

Для ізобарного процесу 3-4

T4=ρT3=T1εk-1λρ

Для адіабатного процесу розширення4-5:

Звідси

T5=T4ρk-1/ εk-1= T1λρк

Кількість підведеної і відведеної теплотн в циклі зі змішаним підведенням відповідно складе:

q1=q1+q2=cvm(T3-T2)+cpm(T4-T3)=cvm T1εk-1:[(λ-1)+kλ(ρ-1)]

q2=cvm(T5-T1)=cvmT1(λρк-1)

Тоді термодинамічний ККД циклу зі змішаним підведенням теплоти