лекция 8 ДВС, ГТУ. Циклы двигателей внутреннего сгорания (двс) и газотурбинных установок (гту)
 Скачать 330.01 Kb.
|
|
лекция 8 Тема: Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ) Вопросы: 1. Общая характеристика циклов ДВС (Цикл Отто, Цикл Дизеля, Цикл Тринклера 2. Цикл газотурбинной установки 3. Цикл газотурбинной установки с использованием теплоты реакций химических процессов. Изображение цикла в PV – и TS- диаграммах. 8.1. Общая характеристика циклов ДВС (Цикл Отто, Цикл Дизеля, Цикл Тринклера Двигатели внутреннего сгорания – тепловая машина, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух, а на втором – продукты сгорания жидкого или газообразного топлива. Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя существенными преимуществами: – Компактность, так как горячий источник тепла находится внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему; – Температура рабочего тела, получающего тепло не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего тела, может превосходить предел температуры, допустимой для конструкционных материалов. Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр с поршнем, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр снабжен двумя отверстиями с клапанами, через одно из которых осуществляется всасывание рабочего тела, а через другое – выброс рабочего тела по завершению цикла. Различают 3 основных вида циклов поршневого двигателей внутреннего сгорания: – Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме – цикл Отто, – Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении – цикл Дизеля, – Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера. Поршень I совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, снабженном всасывающим III и выхлопным IV клапанами. а-1 – поршень движется слева направо, в цилиндре создается разрежение, открывается клапан III и в цилиндр подается горючая смесь. После того как поршень дойдет до крайнего правого положения, всасывающий клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении. 1-2 – горючая смесь сжимается, давление возрастает.
После того как давление смеси в цилиндре достигает величины, соответствующей т.2, с помощью электрической свечи V производиться поджигание горючей смеси. 2-3 – процесс сгорания смеси происходит практически мгновенно, поршень не успевает переместиться, и поэтому процесс сгорания можно считать изохорным. В процессе сгорания повышается давление до т.3. 3-4 – под этим давлением поршень перемещается вправо. 4-5 – после того как поршень дойдет до т.4, с помощью устройства открывается клапан IV и давлении в цилиндре снижается до значения больше атмосферного. 5-b – поршень движется влево, выталкивая оставшуюся часть газов. Т.о. поршень совершает 4 хода (такта) – всасывание, сжатие, расширение после сгорания смеси, выталкивание продуктов сгорания в атмосферу. Цикл Отто Термодинамический анализ цикла Отто удобно проводить, рассматривая идеализированный цикл. Процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) в этом цикле происходят за весьма короткие промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой, то с хорошим приближением эти процессы можно считать адиабатными.
1-2 адиабатное сжатие 2-3 изохорный подвод тепла 3-4 адиабатное расширение 4-1 изохорный отвод тепла Работа, производимая двигателем за один цикл, изображается площадью 2-3-4-1-2. Определим величину термического к.п.д. цикла Отто. Количество тепла  - подводимого в изохорном процессе 2-3 ,где  и  - температуры рабочего тела до и после подвода тепла, - средняя теплоемкость рабочего тела в рассматриваемом интервале температур.Количество тепла, отводимого от рабочего тела в изохорном процессе 4-1  ,где  и  - температуры рабочего тела до и после отвода тепла. ,  ,если   .Для идеального газа отношение  в адиабатном процессе определяется соотношением .Обозначим через  ,где  - степень сжатия. Для адиабат 1-2 и 3-4 можно написать уравнение  ,  .Поделим первое равенство на второе  . Учитывая, что  и  . или  . .Из уравнения ясно, что термический к.п.д. цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатный процесс 1-2, причем, чем больше степень сжатия , тем выше термический к.п.д. цикла.Вывод: благодаря применению предварительного сжатия возрастает термический к.п.д. Замечание: Однако осуществить сжатие до слишком высоких значений , сопровождающиеся значительным повышением температуры и давления, не удается по той причине, что достижение определенного значения часто еще до прихода поршня в левое крайнее положение происходит самовоспламенение горючей смеси, этот процесс носит детонационный характер и разрушает элементы двигателя.Работа цикла  где работа сжатия  ,а работа расширения  .Работу цикла можно представить в виде суммы  , ,  .При увеличении средней разности между линиями расширения и сжатия можно уменьшить размеры цилиндра. Полезную работу можно представить в виде  ,где  - среднее индикаторное давление.Тогда среднее индикаторное давление  ,где  .Подставим  .Тогда индикаторное давление   Цикл Дизеля Степень сжатия в цикле может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля. Индикаторная диаграмма
Поэтому цикл Дизеля называют циклом сгорания при постоянном давлении. После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение рабочего тела происходит по адиабате 3-4. Точка 4 – открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (изохора 4-5), и затем газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (линия 5 – b), таким образом цикл Дизеля – четырехтактный двигатель. Для удобства анализа заменяем рассмотренный цикл Дизеля термодинамически эквивалентным ему идеализированным замкнутым циклом, осуществляемым с чистым воздухом.
Вычислим к.п.д. этого цикла (будем считать теплоемкость постоянной). Введем обозначение – степень предварительного расширения  .Из общего выражения .1-4 изохорный процесс, тогда 2-3 изобарный процесс, тогда  Тогда  Так как  , то  .Подставим  .В изобарном процессе  .Из уравнения адиабат 1-2 и 3-4 и .С учетом  и  получим  .Так как 1-4 изохора, то   .  .Тогда  ,  .Вывод: к.п.д. цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия и чем меньше  .Сравним к.п.д. Отто и Дизеля. Их можно сравнить, если принять одинаковой степень сжатия или наивысшую температуру ;  ,  , - считаем одинаковыми для обоих циклов.Если считать одинаковой степень сжатия, то к.п.д. Отто выше к.п.д. Дизеля.
Сравнение величин  циклов Отто и Дизеля при условии одинаковой наивысшей температуры цикла показывает, что в этом случае термический к.п.д. цикл Дизеля будет выше, чем термический к.п.д. цикла Отто, т.к.  , то есть  , то в Ts – диаграмме изохора идет более круто, чем изобара. Значит степень заполнения цикла Дизеля больше чем цикла Отто. При сравнении обоих циклов при равных работах цикла  и максимальном давлении легко заметить, что тепло  в цикле Отто больше, чем в цикле Дизеля, а к.п.д. меньше.Подобное сравнение наиболее оправдало и дает основание считать цикл Дизеля более экономичным, чем цикл Отто. Недостаток двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность, обусловленная более медленным сгоранием топлива. Цикл Тринклера Гибрид циклов Отто и Дизеля является цикл со смешанным сгоранием – Тринклера.
1-2 адиабатное сжатие за счет инерции маховика сидящего на валу двигателя, нагреваясь при том до температуры обеспечивающей воспламенения жидкого топлива, подаваемого в форкамеру. 2-5 форма и расположение форкамеры способствует наилучшему смешению топлива с воздухом, в результате чего происходит быстрое сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры. 5-3 благодаря возрастанию давление в форкамере образовавшаяся смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкивается в рабочий цилиндр, где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся перемещении поршня слева направо при  .3-4 по окончании сгорании топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания. 4-1 отработанные газы удаляются из цилиндра. Положительные стороны – Не нуждается в компрессоре высокого давления для распыла жидкого топлива в отличие от цикла Дизеля; – Часть сгорает при в отличие от цикла Отто.Определим к.п.д. 4-1 изохорный процесс и  .Тогда количество подведенной теплоты  ,где  и  . .Так как  , то  .   .Для изохоры 4-1 справедливо  ,и уравнения адиабат 1-2 и 3-4 и .Разделим и учитывая , получим  .Так как  и   ,где  - степень повышения давления в изохорном процессе сгорания и  - степень предварительного расширения в изобарном процессе сгорании. Тогда  . Так как 2-5 изохорный процесс, тогда  .Так как 5-3 изобарный процесс, тогда  .Так как  .То  .
При  , получим формулу для к.п.д. цикла Отто (нет изобарного процесса).При  , получим формулу для к.п.д. цикла Дизеля (нет изохорного процесса).8.2. Цикл газотурбинной установки На общем валу находятся газовая турбина 3, компрессор 4, топливный насос 5 и потребитель энергии 8. Компрессора засасывает атмосферный воздух, сжимает его до требуемого давления и направляет в камеру сгорания 1. Туда же топливным насосом подается топливо из бака, которое может быть как жидким, так и газообразным. Схема установки
Сгорание топлива происходит в камере сгорания при . Продукты сгорания, расширившись в сопле 2 газовой турбины, попадают на лопатки 3 турбины, производят там работу и затем выбрасываются в атмосферу. Давление отработавших газов несколько превышает атмосферное.
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, 2-3 – изобарный подвод тепла, 3-4 – адиабатное расширение на лопатках турбины, 4-1 – изобарный отвод тепла – выход отработавших газов из турбины. Характеристиками цикла являются  - степень повышения давления в компрессоре и  - степень изобарного расширения.Выведем формулу для КПД . (8.1)Количество подведенной теплоты  , количество отведенной теплоты  . Будем учитывать, что  . . (8.2)Из уравнения адиабаты 1-2  ,  , тогда  .Из уравнения изобары 2-3  ,тогда  .Из уравнения адиабаты 3-4  .  . . (8.3)Термический КПД ГТУ с подводом тепла при зависит от степени повышения давления  и показателя адиабаты  .8.3. Цикл газотурбинной установки с использованием теплоты реакций химических процессов. Изображение цикла в PV – и TS- диаграммах В случае сгорание топлива происходит при постоянном объеме, характеристиками цикла являются и  ,  - степень добавочного повышения давления.Выведем формулу для КПД .
Количество подведенной теплоты , количество отведенной теплоты . Будем учитывать, что ,  . , т.к. .Из уравнения адиабаты 1-2 , , тогда .Из уравнения изохоры 2-3  ,тогда  .Из уравнения адиабаты 3-4  .  .Термический КПД ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме зависит от , , и увеличивается с возрастанием этих величин.Сравнение циклов ГТУ при разных степенях повышения давления и одинаковых максимальных температурах, подтверждает вывод, что цикл с подводом теплоты при постоянном давлении имеет больший КПД, чем цикл КПД при постоянном объеме. |
;
до 
при 
.
или 
.
