Двс теоретические циклы: ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС – 3 Теоретические циклы двс » СтудИзба

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС

Лекция 3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВС

1 Основные допущения

В рассматриваемых в технической термодинамике теоретических циклах предполагается, что теплота к рабочему телу подводится от внешнего источника (Т1), а отводится к другому внешнему источнику (Т2). В реальном двигателе теплота q1 выделяется непосредственно в камере сгорания при сгорании топливо-воздушной смеси. Совокупность процессов, обеспечивающих получение механической энергии из тепловой называется действительным циклом. Для более полного понимания действительных циклов рассмотрим теоретические циклы автомобильных ДВС с учетом некоторых допущений:

  •  Рабочее тело не заменяемо и постоянно, цикл замкнут. Нет затрат полезной работы на ввод свежего заряда  топливно-воздушной смеси и на выталкивание отработанных газов.
  •  Тепло подводится из внешнего источника
  •  Теплоемкость на протяжении всего цикла постоянна и не зависит от температуры.
  •  Процессы сжатия и расширения протекают адиабатно (без теплообмена с окружающей средой).

В соответствии со вторым законом термодинамики совершение полезной работы невозможно без отдачи тепла во внешнюю среду. Рассмотрение теоретических циклов ДВС позволяет установить насколько совершенно протекают отдельные процессы, а также позволяет наметить пути повышения экономичности и работоспособности двигателя.

2 Теоретический цикл с подводом тепла при постоянном объеме. 

Этот цикл соответствует циклу ДВС с воспламенением от электрической искры. Характерные точки цикла т.(а) – начало сжатия, т.(с) – начало подвода тепла q1, т.(z)– начало расширения, т.(b) — начало отвода тепла q2.

Геометрические параметры поршневого двигателя: D – диаметр цилиндра; S – ход поршня; Vh – рабочий объем цилиндра;  Vс – объем камеры сгорания цилиндра; Vа – полный объем цилиндра. Сжатие происходит по адиабате PVk=const.  — степень повышения давления.

Количество подведенной теплоты  .

Количество отведенной теплоты .

Таблица 1 Параметры характерных точек цикла

Показатели

точка а

точка с

точка z

точка b

Давление

Pa

Pa * ek

Pa * l* ek

Pa * l

Объем

Va

Va / e

Va / e

Va

Температура

Ta

Ta * ek-1

Ta * l * ek-1

Ta * l

Термический КПД

Подставив данные из таблицы 1 и сократив на Та, получим значение термического КПД идеального цикла с подводом тепла при V=const.

Среднее давление цикла , позволяющие сравнивать циклы разных двигателей. Без вывода среднее давление цикла при постоянном объеме составляет:

3 Теоретический цикл с подводом тепла при постоянном давлении. 

Этот цикл соответствует тихоходному дизелю.

Количество подведенной теплоты  .

Количество отведенной теплоты .

Введем понятие — степень предварительного расширения —

Таблица 2 Параметры характерных точек цикла

Показатели

точка а

точка с

точка z

точка b

Давление

Pa

Pa * ek

Pa * ek

Pa * rk

Объем

Va

Va / e

Va * r / e

Va

Температура

Ta

Ta * ek-1

Ta * r * ek-1

Ta * rk

Термический КПД

но , откуда . Далее

 из этого следует

тогда  среднее давление

4 Теоретический цикл со смешанным подводом теплоты.

В данном цикле тепло подводится в два этапа. Сначала при постоянном объеме, затем при постоянном давлении.

Отведенное тепло  и термический КПД составит:

Среднее давление цикла

5 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ

V=const: Термический КПД с повышением степени сжатия и показателя адиабаты растет, среднее давление цикла в большей степени зависит от термического КПД и от давления в начале сжатия. Увеличение степени предварительного расширения снижает термический КПД.

Р=const: Показатель адиабаты и степень сжатия увеличивают КПД, а степень предварительного расширения снижает.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>

7164. Лекция ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС 1.46 MB   Действительным циклом двигателя называется совокупность периодически повторяющихся тепловых, химических и газодинамических процессов, в результате которых термохимическая энергия топлива преобразуется в механическую работу.
8067. Лекция Жизненные циклы БД 415.83 KB   Проектирование баз данных о трех этапах. Жизненный цикл приложения баз данных Цели и задачи проектирования Проектирование баз данных о трех этапах. Подходы к проектированию базы данных. Моделирование данных. 2759. Лабораторная работа Что такое вложенные циклы 16.42 KB   Такая структура получила название цикла в цикле или вложенных циклов. Глубина вложения циклов то есть количество вложенных друг в друга циклов может быть различной. Пример вложенных циклов для Вычислить сумму элементов заданной матрицы А53.
7654. Лекция ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 495.95 KB   Высокая эффективность цикла зависит от процессов приготовления топливовоздушной смеси и ее сгорания. Процесс сгорания происходит только в газовой фазе следовательно топливо из жидкой фазы должно перейти в парообразную форму. Процесс сгорания зависит от качества смеси и топлива. Конечным итогом сгорания является повышение температуры и нарастания давления газов что обеспечивает далее работоспособность поршневого двигателя. 16223. Научная статья Мировой финансовый кризис и циклы Кондратьева 95.18 KB   Экономические циклы это регулярные колебания уровня деловой активности от экономического бума до экономического спада. Циклы состоят из чередующихся периодов относительно высоких и относительно низких темпов экономического роста. Различают несколько типов циклов по их продолжительности: сезонные колебания годовые краткосрочные циклы деловой конъюнктуры 3-3.5 года среднесрочные или торгово-промышленные 7-12 лет строительные 15-20 лет большие циклы или длинные…
16949. Научная статья Кондратьевские циклы и цикличность научного знания 7.7 KB   Именно поэтому мы можем ставить вопрос о цикличности знания на примере маркетинга. Предпринимательская и научная мысль Западной цивилизации обнаружила и практически развила инструмент маркетинга в качестве средства повышения эффективности деятельности фирм максимизации прибыли в условиях нарастания конкурентной борьбы постепенно переросла его и нашла иные средства повышения своей эффективности в процессе эволюции. Это и есть по нашему мнению то ядро положительного знания в теории маркетинга которое объективно будет востребовано обществом…
5799. Курсовая Современные экономические циклы, их состояние и особенности 203.01 KB   Сущность цикличности в экономике причины возникновения экономического цикла. Характеристика фаз экономического цикла типы циклов. В настоящее время обнаружено 1520 типов экономического цикла. У конкретного цикла фазы нет двойников. 17176. Курсовая Термодинамические циклы тепловых и холодильных машин 137.38 KB  
Сейчас разработано большое количество разнообразных тепловых машин, в которых реализованы различные термодинамические циклы. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, различные тепловые турбины и т.д 16896. Научная статья Кондратьевские циклы и цикличность эффективности экономической политики 398.09 KB   Во времена самого Кондратьева на первый план выходили ценовые показатели а в настоящее время – скорость роста ВВП и глубина кризисов Жугляра. Не буду останавливаться на всех проблемах этих попыток отмечу лишь что очень существенные вариации мирового ВВП в первой половине ХХ века перекрывали другие процессы. Анализ мирового ВВП за достаточно длительный период существенно облегчился с появлением работ Мэддисона. Нельзя сказать чтобы все оценки Мэддисона вызывали доверие в частности на мой взгляд он явно занижает ВВП Китая и других стран…
6977. Лекция Макроэкономическая нестабильность: экономические циклы, безработица, инфляция 47.38 KB   Виды и причины циклов Макроэкономике свойственно не только равновесие но и состояние не равновесия то есть несбалансированности производства и потребления в целом. Экономисты называют колебания объема национального производства и занятости экономическими циклами. В экономических циклах отмечаются две главные фазы: 1 спад кризис; 2подъем расширение производства и две точки: 1 пик подъема; 2 максимальный спад нижняя точка спада Рисунок . Динамика реального объема национального производства во время экономического цикла Некоторые…

Понятие об теоретическом, действительном и идеальном циклах двигателя

 

содержание   ..  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

7.

Понятие об теоретическом, действительном и идеальном циклах двигателя

 

            Ввиду сложности явлении, происходящих внутри цилиндра двига­
теля, их совокупность представляют предварительно в виде условного
теоретического цикла, в котором процессы рассматриваются в их
простейшем виде. Это дает возможность получить аналитические за­
висимости для оценки главнейших качественных показателей работы
двигателя. Полученные формулы теоретического цикла, уточненные обобщенными результатами экспериментальных исследований, используют затем для расчета действительного цикла.

 

 

7.1 Теоретические термодинамические циклы ДВС

 

            Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнить в реальных условиях. Принято основные показатели циклов ДВС оценивать в упрощённом варианте:

            • на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине.

            • на втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.

В теоретических циклах введены следующие допущения:

            1. Все процессы цикла осуществляются без теплообмена рабоче­го тела с окружающей средой и являются обратимыми.

            2. Преобразование теплоты в механическую работу осуществля­ется в замкнутом объеме одним и тем же несменяемым рабочим телом при постоянном его количестве.

            3. Состав и теплоемкость рабочего тела остаются постоянными на всем протяжении цикла т. е. не зависит от температуры.

            4. Подвод теплоты производится от постороннего (воображаемого) ис­точника при постоянном объеме (по изохоре), или при постоянном давлении (по изобаре), или при смешанном (по изохоре и изобаре).

            5. Процессы сжатия и расширения протекают по адиабатам с постоянными показателями.

            6. В теоретических циклах отсутствуют какие-либо потери теплоты (в том числе на трение, излучение, гид­равлические потери и т. п.), кроме от­вода теплоты холодному источнику. Эта потеря является единственной и обязательной для замкнутого теоре­тического цикла.

            7. Сгорание топлива в цилиндре заменяется мгновенным подводом тепла, а выпуск – мгновенным отводом теплоты в холодный источник.

            В соответствии с этими допущениями теоретический цикл представляет собой замкнутый цикл, осуществляемый в воображаемой тепловой машине постоянной несменяемой порцией рабочего тела. Вследствие замкнутости процессы сгорания и выпуска рабочего тела при действительном цикле заменяют подводом и отводом теплоты. Процессы сжатия и расширения предполагаются адиабатическими, т.к. это обеспечивает максимальное теплоиспользование.

            Теоретические циклы имеют минимальное количество потерь, находящихся в строгом соответствии со вторым законом термодинамики. Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности.

 

7.2. Теоретический цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном

объеме.

Автомобильные бензиовые двигатели, работают по циклу, в котором горючая смесь, вошедшая в цилиндр во время впуска, сжимается, поджигается искрой и быстро сгорает в момент нахождения поршня около ВМТ, т. е. при почти неизменяемом объеме к рабочему телу-газу подводится тепло Q1.

            Индикаторная диаграмма теоретического цикла показана на рис. 27. При положении поршня в ВМТ (точка z диаграммы) сообщение теплоты прекращается. Затем газ адиабатически расширяется, его внутренняя энергия частично превращается во внешнюю механическую работу.

 

Рис. 27. Индикаторная диаграмма теоретического цикла с подводом теплоты при 

                                                  постоянном объеме

Для повторения цикла надо вернуть газ в начальное состояние, характеризуемое точкой a индикаторной диаграммы. Для этого необходимо охладить газ, заключенный в цилиндре, т. е. отнять теплоту, представляющую собой долю Q2 от ранее введенной теплоты Q1.

            Таким образом, даже при осуществлении теоретического цикла часть вводимой теплоты теряется и, следовательно, не может быть полного превращения теплоты в работу. Степень преобразования теплоты в работу любого теоретического цикла оценивается термическим КПД.  В теоретическом цикле какие-либо дополнительные тепловые потери, за исключением количества теплоты Q2, отсутствуют. Поэтому в полезную работу превращается разность количеств теплоты Q1 – Q2, тогда термический КПД можно выразить формулой:

               

 

7.3. Теоретический цикл двигателей с подводом тепла при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)

           

            По этому циклу работают двигатели с воспламенением от сжатия – дизели. Для самовоспламенения впрыскиваемого топлива степень сжатия должна быть не ниже 14. Индикаторная диаграмма теоретического цикла представлена на рис. 33. В этом цикле подвод теплоты Q1 осуществляется как при постоянном объеме Q1′ так и при постоянном давлении Q1» (см. рис.33):

 

Рис. 33. Индикаторная диаграмма смешанного теоретического цикла

На основе проведенного анализа можно сделать следующие выводы.

            1. Значения основных термодинамических показателей цикла со смешанным подводом теплоты находятся между значениями соот­ветствующих показателей циклов с подводом теплоты при V=const и р=const.

            2. Циклы с подводом теплоты при V= const и р=const являются част­ными случаями цикла со смешанным подводом те­плоты.

            3. В цикле со смешан­ным подводом теплоты при увеличении доли теп­лоты, подводимой при V= const, и при уменьшении доли теплоты, подводимой при р=const, повышаются значения те­рмического КПД и среднего давления цикла.

4. Цикл со смешанным подводом теплоты целесообразно при­менять при значительных степенях сжатия (больше 12) и с возможно большими значениями степени повышения давления. По данному циклу работают все быстроходные автомобильные и тракторные дизели без наддува.

            5. КПД цикла со смешанным подводом теплоты может превы­шать КПД двигателей с искровым зажиганием (цикл при V= const) за счет возможного использования более высоких значений степени сжатия.

7.4. Цикл Карно

 

            Одна из формулировок второго закона термодинамики звучит так: непременным условием преобразования теплоты в механическую рабо­ту является процесс передачи теплоты холодильнику.

            Поэтому важным вопросом является определение максимального КПД тепловых двигателей, работающих на идеальных газах.

            Изучая эту проблему, французский инженер Карно в 1824 г. предложил цикл, который состоит только из обратимых процессов, совершаемый с идеальным газом. Знание данного цикла важно потому, что ни один из обратимых циклов не может иметь термический КПД выше термического КПД цикла Карно, осуществляемого при тех же перепадах температур. Подвод и отвод теплоты в цикле Карно осуществляется изотермически, процессы сжатия и расширения протекают адиабатно, т. е. наиболее экономичным способом без тепловых потерь.

Термодинамический КПД определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую в прямом цикле. Он представляет собой отношение величины тепловой энергии, преобразованной в механическую работу А1, ко всей подведенной теплоте q1.

Двигатель, работающий по циклу Карно, представляет собой поршневую машину, цилиндр которой заполнен идеальным газом. Газ периодически контактирует с источником тепла, имеющим температуру Т1 или с холодильником, имеющим температуру Т2 (рис. 1.13).

рис. 1.13

В результате цикла Карно рабочее тело совершает полезную  работу, соответствующую площади, заключенной внутри контура 1-2-3-4. Эта работа эквивалентна разности между подведенной q1 и отведенной q2 теплотой, т. е

Практически цикл Карно осуществить трудно и даже не целесообразно по причине чрезвычайно малой удельной работы и необходимости значительного увеличения габаритных размеров двигателя. Тем не менее, теоретическое значение цикла Карно огромно, так как он является неким эталоном при определении максимальной возможности полезного использования теплоты при данных температурных условиях.  Сравнение термических КПД цикла Карно и любого другого цикла дает возможность судить о степени совершенства последнего.

 

7.5. Действительные циклы

 

            В процессах, образующих действительный цикл двигателя, происходит изменение количества (массообмен) и состава рабочего тела, а также теплообмен.

Действительный цикл ДВС является сложным процессом не поддающимся на прямую математической оценке

        Для оценки мощностных и экономических показателей действительного цикла ДВС расчёт проводят в 2-а этапа:

        • на первом этапе рассматривают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях, в воображаемой тепловой машине.

         • на втором этапе в теоретические зависимости (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) вводятся коэффициенты, учитывающие действительные условия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  ..

 

 

Действительные циклы двигателей.

Действительный цикл — периодически повторяющаяся совокупность процессов, происходящая в каждом цилиндре работающего двигателя.

Действительные процессы отличаются от идеальных следующим:

-частичной потерей теплоты в систему охлаждения и окружающую среду;

-политропностью процессов сжатия и расширения;

-немгновенностью и неполнотой сгорания топлива;

-наличие процессов впуска и выпуска и связанных с ними гидравлических и механических потерь.

Одновременное изображение всех процессов в виде графиков носит название индикаторной диаграммы. Они изображаются в координатах PV и Pφ (Рис. 9)

Рис. 9. Индикаторные диаграммы двигателей: а и б – карбюраторного и дизельного двигателей в координатах PV, в – карбюраторного двигателя в координатах Pφ; ra – впуск; ac – сжатие; cz – сгорание; zb – расширение; br – выпуск; т.r – точка разрыва цикла где происходит смена рабочего тела, выбрасываются отработавшие газы и поступает свежий заряд; А – момент открытия впускного клапана; Б – момент закрытия впускного клапана; В – момент возникновения искры; Г – момент открытия выпускного клапана; Д – момент закрытия впускного клапана

Отличительные явления присущи действительному циклу, приводят к возникновению дополнительных потерь по сравнению с теоретическими циклами. Вследствие этого t действительного цикла меньше чем t теоретического.

Для характеристики действительного цикла используются следующие КПД:

-i – индикаторный КПД характеризующий экономичность работы. Предствляет собой отношения количества теплоты Qi, превращенной в работу газов за цикл ко всей подведенной теплоте Q1:

-о— относительный КПД, показывает степень приближения действительного цикла к теоретическому:

[0,65…0,69]

Рис 10 Индикаторная диаграмма четырехтактного кар­бюраторного двигателя

Площадь, заключенная внутри контура индикаторной диаграммы на 5– 6% меньше, чем площадь теоретического цикла. Это объясняется тем, что вследствие опережения впрыска топлива или зажигания, процесс сжатия плавно переходит в процесс сгорания (fck). Потери площадей kzz1/ и lbb1 объясняется не мгновенным сгоранием и предварительным открытием выпускного клапана. Отношение площади индикаторной диаграммы к площади теоретического цикла – коэффициент полноты диаграммы:

Значение лежит в пределах = 0,920,97.

Основы теории наддува.

Одно из основных направлений развития ДВС заключается в увеличении мощности, путем соответствующего повышения среднего давления цикла. Увеличение мощности напрямую связано с увеличением подачи топлива. Для полного сгорания топлива необходимо 14,9 кг воздуха. При увеличении подачи топлива без увеличения подачи воздуха возрастание мощности не происходит из-за неполноты сгорания топлива. Увеличение количества топлива достигается с помощью подачи в цилиндр воздуха под избыточным давлением. Такой способ увеличения мощности двигателя называется наддувом.

В настоящее время наибольшее распространение получил турбонаддув. Основным агрегатом является турбокомпрессор (ТКР), включающего турбину и компрессор, расположенные на одном валу. Отработавшие газы, пройдя по выпускному трубопроводу попадают на лопасти турбины, приводя ее во вращение с частотой 50000 об/мин, а на бензиновых – 80000-120000 об/мин, а в двигателях малого объема до 130000 об/мин. С такой же частотой вращается и компрессор. Компрессор засасывает воздух из окружающей среды (Р00), сжимает его и подает в цилиндр под избыточным давлением и повышенной температуре (Ркк).

Рис. 11. Наддув двигателя:1 – форсунка; 2 – центробежный компрессор; 3 – клапан максимального давления наддува; 4 – радиальная турбина

Если давление наддува Pk=0.15…0.16 МПа, то наддув называется средним, если Pk=0,20…0,25 МПа – высоким. В результате повышения давления с Р0 до Рк происходит увеличение плотности воздуха, что приводит к увеличению мощности Ne в 1,5 – 2 раза при сохранении экономических и экологических показателей.

Давление наддува всегда ограничивается максимальной величиной (Рк0,25МПа) из-за опасности повреждения деталей. С этой целью на ТКР устанавливают клапан, открывающий дополнительный канал и пропускающий часть отработавших газов мимо турбины на выхлоп в случае превышения максимального давления наддува Рк max.

В поршневых двигателях с газотурбинным наддувом возможны две схемы осуществления рабочего цикла с продолжением расширения

  • при переменном давлении газов перед турбиной (импульсный наддув)

  • при постоянном давлении газов перед турбиной

2. Расчет и исследование термодинамических циклов двигателей внутреннег сгорания и газотурбинных установок

2.1. Термодинамический цикл двс со смешанным подводом теплоты

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) со смешанным подводом теплоты являются главными двигателями подавляющего большинства (95%) морских судов. Для исследования цикла такого ДВС решим ряд задач.

Задача 1. Для цикла ДВС со смешанным подводом теплоты заданы начальные параметры рабочего тела: р1 = 0,095 МПа, t1 = 40°С и характеристики цикла: ε = 14, λ = 1,35, ρ = 1,6.

Изобразить цикл на рабочей и тепловой диаграммах. Определить параметры в характерных точках цикла, работы расширения, сжатия и полезную, количества подводимой, отводимой и превращаемой в работу теплоты, а также термический КПД цикла.

Решение.

Рис. 2.1. Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты на рабочей и тепловой диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изохорный подвод теплоты, 3-4 – изобарный подвод теплоты, 4-5 – адиабатное расширение, 5-1 – изохорный отвод теплоты.

В курсе термодинамики полагают, что рабочим телом ДВС является идеальный газ со свойствами воздуха. Поскольку воздух является смесью двухатомных газов, его теплоёмкости cv и cp и показатель адиабаты k равны

;

;

.

Значение удельного объема в точке 1 определяем по уравнению состояния идеального газа

.

Точка 2. Рассчитываем значение v2 из определения степени сжатия

.

Температуру рассчитываем по уравнению изоэнтропы

.

Давление определяем из уравнения состояния идеального газа

.

Точка 3. При изохорном подводе теплоты значение удельного объема v3= =v2 = 0,0676 м3/кг. Давление и температуру определяем, зная степень повышения давления λ

р3 = р2·λ = 3,822·1,45 = 5,160 МПа,

Т3 = Т2λ = 899,92·1,35 = 1214,89 К.

Точка 4. При изобарном подводе теплоты значение давления р4 = р3 = =5,160 МПа. Удельный объем и температуру рассчитываем, используя значение степени предварительного расширения ρ

v4 = v3ρ = 0,0676·1,6 = 0,1082 м3/кг

Т4 = Т3ρ = 1214,89·1,6 = 1943,82 К

Точка 5. Значение удельного объема в конце адиабатного расширения принимаем из принципа построения термодинамического цикла ДВС v5 = v1= =0,9464 м3/кг. Температуру рассчитываем по уравнению изоэнтропы

Давление находим из уравнения состояния

Результаты расчетов записываем в таблицу:

Точки

р, МПа

v, м3/кг

Т, К

1

0,095

0,9464

313,15

2

3,822

0,0676

899,92

3

5,160

0,0676

1214,89

4

5,160

0,1082

1943,83

5

0,248

0,9464

816,31

На основании найденных значений параметров рабочего тела ДВС (идеального газа со свойствами воздуха) рассчитываем энергетические эффекты во всех процессах, образующих термодинамический цикл.

Работа в изоэнтропном процессе сжатия 1-2

Работа в изобарном процессе расширения 3-4

Работа в изоэнтропном процессе расширения 4-5

Полезная работа в цикле

Количества теплоты, подводимые в изохорном процессе 2-3 и в изобарном 3-4, равны

Количество теплоты, отводимой в процессе 5-1

Полезно использованная теплота (превращенная в работу)

Результаты расчетов записываем в таблицу

Процесс

l, кДж/кг

q, кДж/кг

1-2 адиабатное сжатие

-421,1

0

2-3 изохорный подвод теплоты

0

226,1

3-4 изобарный подвод теплоты

209,5

732,5

4-5 адиабатное расширение

809,0

0

5-1 изохорный отвод теплоты

0

-361,1

Сумма

597,4

597,5

Рассчитанные суммарные значения q и l согласуются в пределах 0,02%. Это свидетельствует о высокой точности выполненных расчетов.

Термический КПД цикла

.

Для проверки рассчитываем значение термического КПД по заданным характеристикам цикла

Полученные значения ηt совпали, что также подтверждает высокую точность всех рассчитанных величин.

Задача 2. В цикле поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты начальное давление р1 = 0,09 МПа, начальная температура t1 = 50°С, степень сжатия ε = 15, максимальное давление — 5,4 МПа, количество подводимой теплоты q1 = 900 кДж/кг, рабочее тело — воздух.

Какая часть теплоты подводится в изохорном процессе и каково значение термического КПД цикла.

Решение.

Для ответа на первый вопрос необходимо определить значения температуры в начале и в конце изохорного процесса 2-3 (Т2 и Т3). Значение Т2 рассчитываем из уравнения изоэнтропы

Для расчета значения Т3 необходимо знать степень повышения давления λ = =р3/р2.Поэтому определяем р2 по уравнению изоэнтропы

.

Поскольку в рассматриваемом цикле р3 = рмакс = 5,4 МПа, значение λ равно

λ = р3/р2 = 5,4/3,988 = 1,354.

Температура в конце изохорного подвода теплоты

Т3 = Т2λ = 954,65·1,354 = 1292,60 К.

Количество теплоты, подводимой в изохорном процессе

, что составляет 27,0% от всей подведенной теплоты.

Для расчета значения термического КПД цикла необходимо определить количество отведенной теплоты, то есть температуру в точке 5, либо определить третью характеристику цикла — степень предварительного расширения ρ. Значение ρ можно найти, рассчитав предварительно температуру Т4 из уравнения для количества теплоты, подводимой в изобарном процессе

Отсюда

.

Степень предварительного расширения равна

ρ = Т4/Т3 = 1946,83/1292,60 = 1,506

Зная характеристики цикла, определяем значение термического КПД

Для проверки определяем температуру Т5 и количество отводимой теплоты

На основании величин q1 и q2 можно также рассчитать значение термического КПД

Значения ηt, рассчитанные двумя способами, согласуются в пределах 0,02%, что свидетельствует о высокой точности проведенных расчетов.

Задача 3. Рассчитать параметры рабочего тела во всех характерных точках идеализированного обратимого термодинамического цикла ДВС со смешанным процессом подвода теплоты. Сделать заключение об его эффективности, если известны следующие данные: температура воздуха в начале процесса сжатия t1 = 24°С; удельный объем газов в точке 5 v5 = 0,47071 м3/кг; теплота, подводимая в цикле q1 = 722,64 кДж/кг; работа адиабатного сжатия воздуха l1-2 = – 501,85 кДж/кг; изменение энтропии в изохорном процессе подвода теплоты = 0,35943кДж/(кг·К).

Решение

Параметры рабочего тела в точке 1:

удельный объем

,

исходя из принципа построения теоретического цикла ДВС.

давление

Параметры рабочего тела в точке 2:

температура определяется на основании заданного значения работы адиабатного процесса сжатия

; тогда

удельный объем и давление определяются из уравнения адиабаты

, откуда

,откуда

Параметры рабочего тела в точке 3:

Процесс 2-3 – изохорный, поэтому

В условии задачи задано изменение энтропии в процессе 2-3

, тогда

Как известно, в изохорном процессе температура и давление изменяются прямопропорционально

, отсюда

Проверка: из уравнения состояния идеального газа

Значения р3 рассчитанные по двум независимым соотношениям согласуются вполне удовлетворительно (с погрешностью 0,12%)

Параметры рабочего тела в точке 4:

Процесс 3-4 – изобарный, поэтому

В условии задачи задано общее количество теплоты q1, подводимой в цикле

.

Следовательно, количество теплоты, подводимое в процессе 3-4, равно

С другой стороны

, отсюда

В изобарном процессе температура и удельный объем изменяются прямо пропорционально:

, тогда

Проверка:

Значение v4, рассчитанные по двум независимым соотношениям, совпали.

Параметры рабочего тела в точке 5:

Процесс 4-5 – адиабатный, тогда:

температура

, отсюда

давление

, отсюда

Результаты расчетов записываем в таблицу:

Точки

р, МПа

v, м3/кг

Т, К

1

0,1900

0,47071

311,15

2

11,725

0,02477

1010,35

3

19,322

0,02477

1667,07

4

19,322

0,02849

1917,14

5

0,3809

0,47071

624,35

Первая комплексная проверка точности выполненных расчетов термических параметров состояния рабочего тела ДВС в характерных точках цикла состоит в сопоставлении суммарной работы цикла, рассчитанной через p и v, c суммарной теплотой, рассчитанной через T, сp и сv. Вторая проверка точности расчетов состоит в сопоставлении значений термического КПД, рассчитанных из различных соотношений, включающих как термические, так и калорические параметры состояния.

Первоначально рассчитываем значения деформационной работы:

в адиабатном процессе сжатия 1-2:

в изохорном процессе 2-3 : ;

в изобарном процессе расширения 3-4:

,

в адиабатном процессе расширения 4-5:

в изохорном процессе 5-1:

После расчёта значений работы рассчитываем значение теплоты:

в адиабатном процессе сжатия 1-2:

в изохорном процессе 2-3:

в изобарном процессе 3-4:

в адиабатном процессе расширения 4-5:

в изохорного процесса 5-1:

Результаты проверки записываем в таблицу

Процесс

l, кДж/кг

q, кДж/кг

1-2 адиабатное сжатие

-502,4

0

2-3 изохорный подвод теплоты

0

471,36

3-4 изобарный подвод теплоты

71,88

251,28

4-5 адиабатное расширение

928,02

0

5-1 изохорный отвод теплоты

0

-224,80

Сумма

497,50

497,84

Из таблицы видна хорошая точность расчётов, так как сумма теплот мало отличается от суммы работ (на 0,34 кДж/кг, то есть на 0,07%).

Теперь проверяем точность выполненных расчетов, сопоставляя значения термического КПД, рассчитанные из следующих соотношений:

,

где l – суммарная работа цикла (см. предыдущую таблицу).

где q1 и q2 – значения подводимой и отводимой теплоты

,

где — степень сжатия;

—степень повышения давления;

—степень предварительного расширения.

Термический КПД эквивалентного цикла Карно:

,

где — средняя температура отвода теплоты

,

Δs5-1 — изменение энтропии в изохорном процессе отвода теплоты 5-1

,

—средняя температура подвода теплоты

Δs2-3-4 — изменение энтропии в процессе 2-3-4:

Таким образом, значения КПД, рассчитанные из 4-х независимых соотношений, хорошо согласуются. Небольшое расхождение (0,07%) между значениями КПД, рассчитанными через работу цикла l и через значения теплот q1 и q2, объясняется отмеченным выше расхождением между суммами работ и теплот.

Термический КПД предельного цикла Карно:

,

где Тmin, и Tmax– минимальное и максимальное значения температуры в рассматриваемом цикле.

Степень совершенства исследуемого цикла ДВС:

Следовательно, эффективность данного цикла ДВС ниже, чем предельного цикла Карно почти на 18%.

Задача 4. Какую дополнительную работу можно получить, расширив отработавшие газы ДВС, рассмотренного в предыдущей задаче, до атмосферного давления в газовой турбине комбинированного двигателя?

Рис. 2.2. Термодинамический цикл комбинированного двигателя на рабочей и тепловой диаграммах:

III – изоэнтропное сжатие в компрессоре, III – изобарный отвод теплоты от наддувочного воздуха, IIIII – подвод теплоты к газу перед турбиной, IIIIV – изоэнтропное расширение в турбине, IVI – изобарный отвод теплоты в окружающую среду,

1-2 – изоэнтропное сжатие в цилиндре дизеля, 2-3 и 3-4 – изохорный и изобарный подвод теплоты к газу в цилиндре, 4-5 – изоэнтропное расширение в цилиндре, 5-1 – изохорный отвод теплоты от газа после расширения.

Решение

Комбинированный двигатель состоит из поршневого ДВС и открытой газотурбинной установки (ГТУ), которая используется как для наддува ДВС, так и для производства полезной работы. Термодинамический цикл комбинированного двигателя приведен на рис. 2.2.

В предыдущей задаче 3 начальное давление воздуха равно 0,19 МПа и обеспечивается благодаря предварительному сжатию окружающего воздуха в компрессоре ГТУ, работающей на выхлопных газах ДВС.

Как известно, в открытой ГТУ теплота к рабочему телу подводится по изобаре (см. рис. 2.2). Тогда

где TII — температура воздуха после компрессора, которая определяется из уравнения адиабатного процесса III

, тогда .

При расчете ТII приняты значения атмосферного давления 0,1 МПа и температуры воздуха 20°С.

Из выражения для подведенной теплоты определяем температуру рабочего тела перед турбиной

.

Определяем удельный объем в точках I, II и III

точка I

точка II

точка III

Температура в конце адиабатного расширения газов в турбине (точка IV)

, тогда

Удельный объем газов в конце расширения

Теплота, отводимая в цикле ГТУ IIIIIIIV

Количество теплоты превращаемой в работу в цикле ГТУ

Определим также работу цикла путем непосредственного расчета значений работы отдельных процессов.

Техническая работа, получаемая при адиабатном расширении газов в ГТУ (процесс IIIIV)

Техническая работа, затрачиваемая на адиабатное сжатие воздуха в компрессоре (процесс III)

Техническая работа изобарных процессов IIIII и IVI равна нулю

Работа в цикле ГТУ равна

Значения работы, рассчитанные двумя способами, практически совпали.

Итак, используя энергию отработавших газов ДВС в комбинированном двигателе, можно дополнительно получить полезную работу помимо работы, используемой для сжатия наддувочного воздуха. В данной задаче такая работа равна 37,67 кДж/кг. Дополнительную работу можно использовать, например, для привода насосов охлаждающей воды. В любом случае это повысит эффективность судовой энергетической установки (но несколько усложнит её).

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о