1. Энергоресурсы и энергоноситель
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
линейный коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку, Вт/(м·К). , где R=1/K – линейное термическое сопротивление теплопередачи, (м·К)/Вт. Для многослойной цилиндрической стенки с количеством слоев n коэффициент теплопередачи определяется с учетом термического сопротивления каждого слоя , Вт/(м 2 К), где i и i -толщина и коэффициент теплопроводности i-го слоя. 5.4. Критический диаметр изоляции цилиндрической стенки https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 7 из 12 Рис. 5.3. К определению параметров теплопередачи через цилиндрическую стенку с изоляцией Термическое сопротивление цилиндрической стенки с изоляцией (рис. 5.3) При увеличении d из относительно диаметра цилиндрической стенки (d из >d 2 ) термическое сопротивление R изменяется неоднозначно: ● ↑ из-за ↑ толщины слоя изоляции и ↑ , ● ↓ из-за ↑ наружной площади изоляции A из.н = d из l из и ↓ Диаметр , называемый критическим, при котором суммарное термическое сопротивление R = R min , а тепловой поток Q = Q max Критический диаметр изоляции не зависит от размеров трубы и определяется: ● теплопроводностью материала изоляции ( из ); ● условием теплоотдачи в холодную среду на ее наружной поверхности ( ). Рис. 5.4. К определению критического диаметра изоляции цилиндрической стенки Из графической интерпретации зависимости q = f(d из ) (рис. 5.4) следует, что плотность теплового потока при наращивании толщины изоляции от d 2 до d кр , будет возрастать, а затем – падать. При d из =d 3 его величина будет соответствовать потерям теплоты без изоляции. В дальнейшем при d из >d 3 потери теплоты будут меньше, чем у трубы без изоляции. Таким образом, при покрытии трубы изоляцией плотность теплового потока будет сразу же уменьшаться только тогда, когда критический диаметр изоляции будет меньше внешнего диаметра неизолированной трубы: или При заданных d 2 и a 2 тепловая изоляция будет эффективной, если 21. Методы интенсификации теплопередачи. На практике возникает одна из двух задач: ü снижение тепловых потерь или уменьшения теплоотвода; ü повышение отвода или передачи теплоты. Методы уменьшения теплоотвода с целью обеспечения комфортной атмосферы для живых существ и тепловой защиты технических объектов (элементов). Экранирование (теплоотражающие экраны и тонкостенные кожухи с малым коэффициентом излучения); Теплоизоляция (использование теплоизоляционных материалов, воздушной прослойки или создание вакуума между двумя стенками). Интенсификация теплообмена организуется для эффективного обогрева среды обитания живых существ и осуществления технологических процессов. Увеличение площади рассеивающей части ТОА. Турбулизация потоков теплоносителей. Если a1>a2 то для интенсификации теплопередачи следует повышать a2 путем турбулизации потока. Однако это требует затрат энергии. Направление охлаждающих потоков жидкости или газа к наиболее нагретым элементам конструкции. 22. Области применения и элементы классификации транспортных силовых установок. Тепловые двигатели – машины, преобразующие тепловую энергию в механическую работу. Тепловые двигатели являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, ручной, морской, автомобильный, и авиация) на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах. Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями. Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую работу, носят название тепловых двигателей (ТД). ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах. Различают ТД стационарные и транспортные. Для транспортных двигателей характерна работа при изменении в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов, а также необходимость сохранения работоспособности при изменениях положения двигателя в пространстве. К ним предъявляются повышенные требования по уменьшению габаритов и массы. По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ — это субстанция, с помощью которой происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу) различают: двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Для ДВПТ характерны следующие особенности: теплота к РТ подводится вне рабочего цилиндра двигателя (обычно в теплообменнике); РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру; работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре. Классический пример этого типа ТД — паровой двигатель. Здесь теплота Ql подводится к РТ (вода) в парогенераторе и в пароперегревателе, механическая работа Lм совершается в паровой турбине, теплота Q2 от РТ отводится в конденсатор, где отработанный в турбине пар превращается в воду. Далее вода питательным насосом перекачивается вновь в парогенератор. Для ДВС характерно следующее: сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя; РТ обновляется в процессе работы двигателя. ДВС по сравнению с ДВГГГ имеют, как правило, существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности, вследствие чего они являются в настоящее время основным типом транспортных энергетических установок. По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают: поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС); двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД); газотурбинные двигатели (ГТД); реактивные двигатели (РД). В качестве примера для анализа признаков, присущих конструкции ДВС, рассмотрим схему простейшего одновального ГТД. Принцип работы двигателя заключается в следующем: компрессором, рабочее колесо которого находится на одном валу с турбиной, воздух сжимается до давления р, и подается в камеру сгорания, куда топливным насосом впрыскивается через форсунку топливо. После поджигания факела топлива запальной свечой в камере образуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые поступают на турбину, где производят полезную работу. Далее РТ покидает двигатель в виде отработавших газов (ОГ). Как следует из приведенной схемы, теплота к рабочему телу подводится внутри двигателя и РТ периодически обновляется. Из-за неудовлетворительной топливной экономичности РПД, ГТД и РД не нашли широкого применения в наземной транспортной технике. Здесь в качестве энергетических установок используются главным образом ПДВС. По способу воспламенения смеси различают ДВС с принудительным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, работающие с воспламенением от сжатия. В двигателях с искровым зажиганием используются два вида топлива: жидкость — преимущественно бензин (бензиновые двигатели) и газ (газовые двигатели). Рис.17.4 https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 8 из 12 Двигатели с искровым зажиганием могут быть карбюраторные и газовые, в которых топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается вне их, т. е. в автономном устройстве, называемом карбюратором или смесителем. По другому признаку классификации эти двигатели относят к ДВС с внешним смесеобразованием. 23. Основные механизмы и системы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) необходим для преобразования получаемой в результате сгорания топлива в цилиндре индикаторной работы в эффективную работу, отдаваемую потребителю. Он состоит из неподвижных (корпусных) и подвижных деталей. Корпусные детали служат для обеспечения заданных перемешиваний деталей КШМ и газораспределительного механизма, а также установки на них других элементов двигателя (картер, масляный поддон, цилиндр, головка цилиндра и т.д.). Подвижные детали КШМ обеспечивают преобразование возвратно-поступательного перемещения поршней, передающегося через шатуны на коленчатый вал (КВ), во вращательное движение элементов трансмиссии автомобиля (поршень, демпфер, маховик, коленчатый вал, уравновешивающий механизм, противовесы и т.д.). Механизм газораспределения (МГР) необходим для управления процессами наполнения ДВС свежим зарядом и его очистки от отработавших газов. В автомобильных ДВС это производится с помощью клапанов, размещённых в головке цилиндра. Закон движения клапанов задаётся кулачками, расположенными на распределительном вале, которые воздействуют на клапана непосредственно, через коромысло или рычаг, либо с помощью толкателя, штанги и коромысла. Система питания топливом предназначена для подачи требуемого количества топлива в двигатель, организации его смесеобразования и сгорания. Она содержит бак для хранения топлива, фильтр для его очистки, трубопроводы, топливный насос и форсунки, необходимые для дозирования, подачи и распыливания топлива, ряд датчиков для оценки состояния ДВС. В дизели имеются два насоса (подкачивающий и высокого давления), а в аккумуляторных системах – резервуар, где топливо содержится под высоким давлением (аккумулятор). Смазочная система необходима для снижения потерь на трении и износа трущихся поверхностей подвижных деталей ДВС, отвода выделяющийся в результате трения теплоты в трущихся парах и выноса из них продуктов износа. В неё входят резервуар для хранения масла (масляный поддон); насос(ы) для его подачи; фильтры для очистки масла; магистрали и каналы для его подвода к опорам коленчатого и распределительных валов, а также к другим элементам; радиатор для охлаждения масла; клапаны для регулирования работой систем. Системы охлаждения служит для обеспечения заданного теплового состояния двигателя. Она состоит из жидкостного насоса для принудительной циркуляции охлаждающей жидкости в рубашке охлаждения в головке и блоке цилиндров, сформированной вокруг наиболее нагретых элементов двигателя, и радиатора для передачи теплоты от охлаждающей жидкости к атмосферному воздуху, подаваемого в него с помощью вентилятора. Регулирование работы системы осуществляется на основе сигналов датчика температуры, с помощью термостата, изменяющего контур циркуляции охлаждающей жидкости, или через радиатор, или минуя радиатор. Система воздухопитания содержит фильтр(ы) для очистки поступающего воздуха, который также является глушителем шума, создаваемого системой впуска. Система выпуска состоит из нейтрализатора отработавшими газов, глушителя шума выпуска, а для дизелей – фильтра для улавливания частиц (преимущественно сажи), а также ряда датчиков для обеспечения её работы. В отдельных случаях она может включать в себя моторный тормоз. Система управления двигателя является составной частью системы управления транспортного средства. Она содержит набор датчиков, параметров, оценивающих состояние двигателя, и бортовой компьютер, вырабатывающих по заданному алгоритму управляющие сигналы для исполнительных устройств, которые управляют работой компонентов ДВС (например, изменением фаз газораспределения, подачей топлива и пр.). В качестве источника питания используется аккумуляторная батарея, которая заряжается генератором, приводимым в действие от коленчатого вала двигателя. Система зажигания в ДсИЗ обеспечивает в требуемый момент времени создание искрового разряда для воспламенения топливно-воздушной смеси с помощью свечи в цилиндрах в соответствии с порядком их работы. Система пуска необходима для надёжного и быстрого пуска ДВС, особенно в сложных эксплуатационных условиях при низкой температуре. Она включает в себя стартер, обеспечивающий перед пуском прокрутку двигателя, а также устройства, ускоряющие прогрев двигателя. 24. Индикаторная диаграмма и рабочие процессы двигателя с искровым зажиганием. 25. Индикаторная диаграмма и рабочие процессы дизеля. 26. Энергетический баланс и экономико-энергетические показатели ДВС (индикаторные, механические, эффективные). Энергетический баланс, приведенный на рис. 2.1, показывает, как энергия, которая могла бы выделиться при полном сгорании всего поданного в цилиндр двигателя топлива за цикл его работы , разделяется на полезную (эффективную) работу Lе и на основные виды потерь (тепловые Qпот и механические Qм): Рис. 2.1. Энергетический баланс ДВС Если при совершении одного цикла двигателя в цилиндр подается qц топлива, то ( , где Ни - низшая теплота сгорания. Часть теплоты идет на совершение индикаторной работы цикла Li, которая представляет собой избыточную работу, получаемую за такты сжатия и расширения (рис. 2.2): Рис. 2.2. К определению индикаторной работы цикла В соответствии с этим Li, представляется на индикаторной диаграмме заштрихованной площадью. На практике в качестве показателя работоспособности цикла используется удельный показатель рi, https://psv4.userapi.com/c834504/u269646394/docs/d17/c9…LHM3kfdzx1AhF6R_-Qee-7zNmXpFB6AiVeRYqoKY7biZgYayh4 26.03.2018, 12W59 Стр. 9 из 12 представляющий собой индикаторную работу цикла, снимаемую с единицы рабочего объема , который имеет размерность давления и называется средним индикаторным давлением. Экономичность действительного цикла оценивается индикаторным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной в цикл с топливом Q1, преобразуется в индикаторную работу . Этот показатель характеризует уровень тепловых потерь в двигателе, Таким образом, возрастание любого вида потерь теплоты вызывает уменьшение Индикаторная работа, получаемая за 1 с, называется индикаторной мощностью Ni = Lц/. Здесь tц - время реализации одного рабочего цикла. Если частота вращения коленчатого вала двигателя n, мин-1 то величина обратная (1/n) - время одного оборота в минутах и 60/n - в секундах. В этом случае tц =(60/n) , где — коэффициент тактности, равный двум для двух- и четырем для четырехтактных двигателей. С учетом того, что Li = pi×Vh, при количестве цилиндров двигателя, равном i, мощность Ni, (кВт) равна . Для оценки экономичности двигателя применяется удельный индикаторный расходом топлива gi, показывающий, какое количество топлива расходует двигатель на производство единицы индикаторной работы: Величина gi обычно выражается в г/(кВт×ч), поэтому в числителе уравнения (1.2) расход топлива задают в размерности кг/ч, а в знаменателе — кВт, вследствие чего Индикаторная работа частично идет на преодоление внешней нагрузки (т. е. применительно к транспортным средствам передается на трансмиссию), где совершает полезную работу Lе, и на преодоление потерь внутри двигателя (механические или внутренние потери) Lмп, состоящие из потерь работы на трение Lтр, на реализацию процессов газообмена Lго, на привод вспомогательных агрегатов и механизмов Lв, (масляный и водяной насосы, топливоподающая аппаратура дизелей и т. д.). Уровень механических потерь в двигателе оценивается механическим КПД , показывающим, какая доля индикаторной работы преобразуется в эффективную =Lе/Li, или с учетом того, что Le=Li,-Lм, Соответственно совокупные потери в двигателе оцениваются эффективным КПД, показывающим, какая доля теплоты, введенной с топливом, преобразуется в эффективную работу Здесь pе= Lе/Vh, — среднее эффективное давление (параметр, аналогичный рi). Эффективный крутящий момент двигателя Мк, пропорционален pе, т. е. Общепринятым для оценки экономичности двигателя является параметр, называемый удельным эффективным расходом топлива ge, показывающий, какое количество топлива расходуется на производство единицы эффективной работы: Все одноименные индикаторные и эффективные показатели связаны между собой механическим КПД: 27. Литровая мощность и методы форсирования двигателей. Литровой мощностью называют номинальную эффективную мощность, получаемую с единицы рабочего объёма двигателя: N л =(N e ном )/(iVh)=(p e *n ном )/(30*τ). Чем выше литровая мощность, тем меньше рабочий объём и, соответственно меньшие габаритные размеры и массу имеет двигатель при заданной номинальной мощности. По литровой мощности ДВС оценивают степень его форсированности. Двигатели, имеющие высокие значения Nл, называют форсированными. Комплекс технических мероприятий, обеспечивающих повышение литровой мощности, называют форсированием двигателя. Основные способы форсирования двигателей определяются приведённым выше выражением, из которого следует, что Nл увеличивается с ростом номинальной частоты вращения n ном , при переходе с четырёхтактного рабочего цикла на двухтактный, а также в случае повышения среднего эффективного давления p e . Повышение номинальной частоты вращения nном широко применяется в двигателях с искровым зажиганием с целью увеличения литровой мощности. Переход с четырёхтактного рабочего цикла на двухтактный формально должен увеличить литровую мощность в два раза. Однако реально Nл увеличивается в 1,5…1,7 раза, что обусловлено использованием некоторой части хода поршня на организацию процессов газообмена, снижением качества очистки и наполнения цилиндров, а также дополнительными затратами на привод продувочного насоса. Повышение среднего эффективного давления pe, можно достичь лишь путём увеличения ввода в рабочем цикле большего количества теплоты за счёт подачи в цилиндр соответственно большего количества топлива. А для его полного сжигания требуется большее количество окислителя, что на практике нагнетаемого в цилиндр двигателя под давлением. Этот способ называется наддувом двигателя. Здесь pe возрастает практически пропорционально увеличению плотности свежего заряда. 28. Образование токсичных компонентов ДВС и методы снижения токсичности. |