Термодинамика. Лекция Термодинамическая система и ее состояние Основные понятия и определения Термодинамической системой
 Скачать 4.04 Mb.
|
|
5.5.2. Возможные режимы работы сопла В зависимости от соотношения между статическим давлением газа в выходном сечении и давлением окружающей среды различают следующие режимы работы сопла: 1. Режим полного расширения, когда p2 = pH , а с= . 2. Режим недорасширения (неполного расширения), когда p2 > pH, а с < . В этом случае окончательное расширение газа и понижение его давления до давления окружающей среды pH происходит за пределами сопла. 3. Режим перерасширения, когда p2 < pH, а с > . Режим перерасширения реализуется только в сопле Лаваля. 5.5.3. Скорость истечения газа из сопла При энергоизолированном течении газа ( ) его скорость в выходном сечении сопла (скорость истечения) определяется из уравнения сохранения энергии, которое может быть записана в виде: или , откуда . Для идеального газа , тогда . Так как рассматривается адиабатный процесс ( ) расширения газа в сопле, то в этом процессе и тогда . Таким образом, скорость истечения газа из сопла зависит от: его полной температуры перед соплом Т1*; действительной степени понижения давления газа в сопле c; и физических свойств газа (k, R). Зависимость скорости истечения c2 от c показана на рис.5.4. Видно, что: при с = 1 течение отсутствует, т.е. c2 = 0; при с= кр скорость равна критической ; при с∞ скорость истечения стремится к предельной величине . Таким образом, даже при с скорость истечения газа имеет конечное значение. Это объясняется тем, что при энергоизолированном течении увеличение скорости и, соответственно, кинетической энергии газового потока происходит за счет уменьшения его энтальпии, которая на входе в сопло имела конечное значение (i1* = cpТ1*) и при полном её переходе в кинетическую энергию газового потока даст также конечное значение с2. 5.6. Идеальное течение газа в суживающемся сопле Изменение параметров потока вдоль суживающегося сопла (рис. 5.5).
Характер изменения статических параметров газа вдоль сопла в этом случае установим, используя формулы (5.4 …5.7), согласно которым при разгоне потока в сопле (dc>0) , , , . Следовательно, статическое давление , температура и плотность вдоль сопла снижаются, а удельный объем возрастает, т.е. газ расширяется. 5.6.1. Режимы работы суживающегося сопла Режим работы суживающегося сопла определяется соотношением между располагаемой ( ) и критической (кр) степенями понижения давления. Будем рассматривать изменение за счет изменения атмосферного давления . При этом возможны три режима работы сопла. Режим полного расширения, когда < кр. В этом случае: давление газа в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды (p2 = pH), т.е. расширение газа в сопле полное, а с= ; так как < кр, то располагаемой степени понижения давления недостаточно для разгона потока до скорости звука, поэтому с2<а2 (М2<1). Характер изменения параметров потока вдоль сопла при данном соотношении между и кр показан на рис. 5.6а. 2.Критический режим, когда= кр. В этом случае: расширение газа в сопле полное, т.е. p2 = pH= ркр и с = = кр; так как с = кр, то поток в сопле разгоняется до скорости звука на выходе из него (рис. 5.6б), т.е. (М2=с2/а2=1); это предельный режим работы суживающегося сопла с полным расширением газа, когда скорость на выходе из сопла достигает скорости звука, т.е. .
3. Режим недорасширения, когда > кр. В этом случае: расширение газа в сопле не полное, т.е. p2 >pHи с = кр < . Окончательное расширение газа (т.е. понижение его давления до величины pH) происходит за пределами сопла (рис. 5.6в). Следовательно, располагаемая степень понижения давления газа не используется полностью в сопле для увеличения скорости потока; скорость истечения газа из сопла равна критической скорости, т.е. , а число М2=1. Возмущения внешнего потока в виде рн не могут проникнуть внутрь сопла и перестроить поток. Значит, изменение параметров газа вдоль сопла будут такими же, как и на критическом режиме. Таким образом: для суживающегося сопла характерны только два режима работы: режим полного расширения (расп кр) при котором р2 = рН, с= , с2 а2, M2 1; и режим недорасширения ( > кр), когда р2>рН, с =кр, с2= а2, M2=1. в суживающемся сопле нельзя разогнать поток до скорости больше скорости звука. 5.6.2. Влияние с.расп на течение газа в суживающемся сопле На рис. 5.7 показаны зависимости с и числа M2 от . В области кр сопло работает на режиме полного расширения газа (с = ), поэтому зависимость с от здесь представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат. Число M2 и соответственно скорость истечения с2 с ростом увеличиваются, достигая при = кр критических величин (М2 = 1; с2 = скр). Дальнейшее увеличение в области > кр, когда сопло работает на режиме недорасширения, не изменяет ни с, ни M2.
5.6.3. Расход газа через сопло Расход газа через суживающееся сопло , где значение параметра m определяется свойствами газа (k, R). Так как при идеальном, энергоизолированном течении газа в сопле p2* = p1* и T2* = T1*, то этой формуле можно придать следующий вид: . Таким образом, расход газа через суживающееся сопло зависит от: свойств газа, т.е. коэффициента m=f(k,R); параметров заторможенного потока на входе в сопло (p1*, T1*); площади выходного сечения сопла F2; действительной степени понижения давления газа в сопле, которая определяет величину относительной плотности тока в выходном сечении q(2). Если с = кр, что, как указывалось, имеет место при с.расп кр, то параметры газа в выходном сечении сопла критические и q(2)=1. В этом случае .
5.7. Идеальное течение газа в сопле Лаваля У двигателей сверхзвуковых самолетов с.расп на многих режимах полёта значительно превосходит кр. Тогда из-за недорасширения газового потока, применение суживающихся сопел приводит к значительным потерям тяги двигателя. Поэтому для эффективного использования с.расп применяют суживающе-расширяющиеся сопла − сопла Лаваля, в которых поток разгоняется до сверхзвуковой скорости. Изменение параметров газа вдоль сопла Лаваляв суживающейся части сопла не отличается от течения в суживающемся сопле при с.расп кр (рис. 5.9). На этом участке поток разгоняется до скорости звука, которая достигается в минимальном (критическом) сечении сопла. Параметры газа в этом сечении равны критическим. В расширяющейся части сопла Лаваля происходит дальнейшее увеличение скорости, сопровождаемое снижением давления и температуры газового потока. При этом в сопле Лаваля при отсутствии трения и теплообмена со стенками температура и давление заторможенного потока вдоль сопла будут оставаться постоянными ( ,) . Режим работы сопла Лаваля определяется соотношением между действительной и располагаемой степенями понижения давления (с и с.расп). При этом возможны три режима работы: 1. Режим полного расширения, когда с = с.расп . В этом случае давление в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды, т.е. p2 =pH. Для сопла Лаваля такой режим работы принято называть расчетным. 2. Режим недорасширения (неполного расширения), когда с < с.расп . В этом случае давление газа в выходном сечении сопла выше давления окружающей среды (p2 >pH) и окончательное расширение газа до атмосферного давления pH происходит за пределами сопла. 3. Режим перерасширения, когда с > с.расп . В этом случае давление газа в выходном сечении сопла ниже давления окружающей среды (p2 <pH),и за соплом происходит сжатие (повышение давления) газа в струе.
Влияние на течение газа в сопле. Важным параметром сопла Лаваля является относительная площадь выходного сечения сопла (геометрическая степень расширения) . Из уравнения неразрывности, записанного для критического и выходного сечений сопла, следует, что , откуда или . Аналогично для любого другого сечения сопла получим или . Будем считать полные параметры потока вдоль тракта сопла постоянными. Тогда, зная закон профилирования сопла, т.е. , можно определить , а затем и все параметры потока газа в любом сечении сопла (в том числе и в выходном), т.к. все газодинамические функции однозначно связаны между собой. Покажем это схематически: → М, → c (где ), → , → , → . Максимальное значение достигается в критическом сечении сопла (рис. 5.10). Установим связь между и . При увеличении значение уменьшается. В области значений это приводит к снижению (рис. 4.12), что вызывает рост .
значение однозначно связано с (рис. 5.11); при увеличении увеличивается , а значит и М2; если в сопле Лаваля const, то течение газа происходит при постоянном значении , независимо от изменения ; расчетный режим работы сопла Лаваля (т.е. ) при заданных (т.е. при заданном ) возможен только при одном единственном значении ; если const, то . Тогда при адиабатном течении в сопле , , . Таким образом, при изменении полных параметров газа перед соплом происходит пропорциональное изменение статических параметров газа на срезе сопла. То же самое происходит в любом другом сечении сопла. Расход газа через сопло Лаваля.Запишем расход газа через критическое сечение сопла . В энергоизолированном потоке , . Кроме того, в критическом сечении сопла , тогда . Таким образом, расход газа через сопло Лаваля зависит от рода газа [ )], полных параметров перед соплом , и площади критического сечения сопла . Влияние на течение газа в сопле Лаваля. В этом анализе будем считать, что const, и . Если const, то все газодинамические функции в сопле и на выходе из него также будут постоянными. Кроме того, т.к. действительная степень расширения газа в сопле однозначно определяется значением , т.е. , то она также будет постоянной. Сопло работает на расчетном режиме, если (рис. 5.12а), тогда давление на выходе из сопла и . При увеличении пропорционально увеличивается , т.е. сопло будет работать на режиме недорасширения. При принятых выше условиях скорость истечения газа из сопла и число Маха М2 изменяться не будут. Расход газа через сопло будет возрастать пропорционально При уменьшении все параметры газа в сопле будут изменяться в обратном направлении, а сопло будет работать на режиме перерасширения.
На режимах глубокого перерасширения, когда давление газа на выходе из сопла р2 становится существенно меньше давления окружающей среды рН, окружающий воздух под давлением рН проникает внутрь канала через пограничный слой на стенках сопла, скорость течения в котором намного меньше скорости звука. Это вызывает отрыв потока от стенок в расширяющейся части сопла Лаваля (рис. 5.12б) и изменение характера распределения статического давления в зоне отрыва. Лекция 6. Идеальные циклы тепловых двигателей 6.1. Термодинамический метод исследования циклов тепловых двигателей Основными задачами термодинамического метода исследования циклов тепловых двигателей являются: определение величины подведенной q1 и отведенной q2 теплоты, а также работы цикла lц; определение эффективности преобразования подведенной к рабочему телу теплоты q1 в работу цикла lц, т.е. определение термического КПД цикла ηt и факторов, на него влияющих; оценка путей повышения эффективности цикла. Превращение теплоты в работу в циклах реальных двигателей связано с рядом сложных физических, химических и газодинамических процессов (горение топлива, теплоотдача от рабочего тела в стенки двигателя, течение вязкого газа в различных элементах двигателя и др.). Они изучаются в теории авиационных двигателей. В технической термодинамике проводятся изучение и исследование идеальных циклов тепловых двигателей. В них реальные процессы заменяются идеальными. При идеализации циклов обычно принимаются следующие допущения: 1) процессы, составляющие цикл, являются обратимыми, т.е. lтрен и другие диссипативные явления отсутствуют; 3) рабочее тело в цикле обладает неизменным химическим составом, если это газ, то он считается идеальным; 4) реальный процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне; 5) цикл считается замкнутым, процесс смены рабочего тела не рассматривается, а заменяется обратимым процессом отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. Максимально возможная степень преобразования теплоты в работу цикла достигается в цикле Карно, который осуществляется в том же интервале температур, что и в исследуемом цикле. Совершенство произвольного обратимого цикла оценивается тем, насколько его термический КПД отличается от термического КПД цикла Карно, осуществляемого в то же интервале крайних температур. Эту оценку выполнить сложно, т.к. трудно вычислить ηt произвольного цикла. Поэтому пользуются следующими методами сравнения эффективности циклов. а) Графический метод сравнения циклов в T,s – координатах В этих координатах (рис. 6.1) наглядно изображаются теплоты и , входящие в выражение для .
б) Метод сравнения циклов путем сравнения средних температур подвода и отвода теплоты в цикле. Для анализируемого цикла можно записать , . Следовательно, , a . Если анализируемый цикл заменить циклом Карно в интервале температур и , то термический КПД такого цикла будет ниже, чем термический КПД цикла Карно в интервале температур , т.е. меньше, чем . Таким образом, чем выше в исследуемом цикле и ниже , тем выше его термический КПД и тем ближе он к циклу Карно, осуществляемом в интервале температур . 6.2. Цикл газотурбинных двигателей – цикл Брайтона Данный цикл называется также циклом с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.2а и 6.2б). От исходного состояния 1 рабочее тело сжимается в адиабатном процессе 1-2. Далее в изобарном процессе 2-3 к нему подводится извне теплота . Затем происходит адиабатное расширение рабочего тела в процессе 3-4 до давления р4, равного исходному давлению р1. Отвод теплоты происходит в замыкающем цикл изобарном процессе 4-1, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние 1. Для исследования цикла Брайтона необходимо задать: род рабочего тела (k, R) и его параметрыи в исходной точке цикла 1; степень повышения давления в адиабатном процессе сжатия и степень подогрева рабочего тела в цикле
Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла. При этом для упрощения записей введём обозначение e = Тогда Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изобарного процесса 2-3 Для изобарного процесса 4-1 = Тогда термический КПД цикла Брайтона равен или Отсюда видно, что значение термического КПД цикла Брайтона зависит от рода рабочего тела (k) и степени повышения давления в цикле (рис. 6.3).
Увеличение является одним из основных средств повышения и, следовательно, экономичности тепловых машин, работающих по циклу Брайтона. Практически все современные воздушно-реактивные и газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. У авиационных двигателей значение в наземных условиях достигает 25…30, а в полёте и того более. Найдём выражение для работы цикла . Как видно, работа цикла зависит от рода рабочего тела (k, R), его начальной температуры Т1, степени повышения давления и степени подогрева рабочего тела в цикле. С ростом , Т1 и работа цикла растёт. Работа цикла обращается в нуль при двух значениях , соответствующих e= 1 и e= (рис. 6.4). Следовательно, между этими крайними значениями имеется некоторое оптимальное значение , при котором работа цикла максимальна. Для определения продифференцируем формулу для по eи приравняем производную нулю: = 0. Отсюда получим = или = Как видно, для данного рабочего тела величина в идеальном цикле Брайтона зависит только от степени подогрева . С увеличением увеличивается и значение l и. Следует отметить, что при термический КПД цикла не достигает максимального значения. В области значений > он продолжает увеличиваться с ростом , но величина работы цикла при этом будет уменьшаться и достигнет нулевого значения при = При работа цикла при увеличении Δ линейно возрастает. Рассмотренный цикл Брайтона реализуется в ряде типов существующих двигателей. В авиации это турбореактивные (рис. 6.5) и турбовинтовые двигатели (рис. 6.6), а также вертолётные газотурбинные двигатели (рис. 6.7). Цикл Брайтона применяется, кроме того, в турбостартёрах и в газотурбинных установках (ГТУ), используемых как вспомогательные силовые установки на тяжёлых самолётах различного назначения.
Применительно к ТРД (рис. 6.5) идеальный цикл Брайтона протекает следующим образом. Рабочее тело (воздух) поступает в двигатель из атмосферы через входное устройство. Адиабатный процесс сжатия воздуха 1-2 (рис. 6.2) происходит во входном устройстве и в компрессоре. С ростом скорости полёта повышение давления во входном устройстве становится всё более значительным, и параметры воздуха на входе в компрессор значительно отличаются от атмосферных параметров (точка в на рис. 6.2). В камере сгорания при постоянном давлении происходит сгорание топлива (процесс 2-3) и к воздуху подводится теплота . Продукты сгорания (газ) с параметрами p , T поступают в газовую турбину, которая служит для привода компрессора. Адиабатное расширение газа (процесс 3-4) происходит в турбине и сопле. Состояние газа за турбиной изображено на рис. 6.2 точкой Т. При расширении в турбине часть энергии газа преобразуется в работу на валу турбины, которая передаётся компрессору. При расширении в сопле происходит разгон потока и он в виде газовой струи с большой скоростью вытекает в атмосферу. Изобарный процесс 4-1 соответствует охлаждению в окружающей атмосфере горячих продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, с отводом теплоты Вертолётные ГТД (рис. 6.6) и ТВД (рис. 6.7) используются на летательных аппаратах, предназначенных для полета с дозвуковой скоростью. Поэтому повышение давления во входных устройствах этих двигателей практически не происходит, и сжатие воздуха осуществляется только в компрессоре. У этих двигателей только часть работы турбины затрачивается на привод компрессора. Значительная часть её передаётся через редуктор на воздушный винт. Поэтому у ТВД и вертолётных ГТД процесс расширения продуктов сгорания происходит в турбине практически до атмосферного давления и через выходное устройство они отводятся в атмосферу. 6.3. Циклы ГТД со ступенчатым подводом теплоты По условиям прочности значение максимальной температуры газа перед турбиной у газотурбинных двигателей ограничивается. Это ограничивает получаемую работу цикла и, следовательно, при заданных размерах двигателя, его тягу (или мощность). Увеличить можно, применив ступенчатый подвод теплоты q . Один из вариантов цикла со ступенчатым подводом теплоты применяется в авиационных турбореактивных двигателях (ТРДФ), в которых одна камера сгорания размещена перед турбиной, а вторая, форсажная камера сгорания, за турбиной (рис. 6.8). Термодинамические процессы протекают в этом двигателе в такой последовательности (рис. 6.9): процесс 1-2 – адиабатное сжатие воздуха во входном устройстве и компрессоре; процесс 2-3 – изобарный подвод теплоты q в основной камере сгорания; процесс 3- Т адиабатное расширение газа в турбине; процесс Т-3ф изобарный подвод теплоты q в форсажной камере сгорания; процесс 3ф-4фадиабатное расширение газа в сопле; процесс 4ф-1 изобарный отвод теплоты q в атмосферу. В ТРДФ температура газа в форсажной камере сгорания обычно больше его температуры перед турбиной из-за отсутствия ограничений, связанных с прочностью турбины. Если форсажная камера сгорания выключена, то двигатель работает как ТРД с циклом Брайтона 1-2-3-4.
ТРДФ по сравнению с ТРД создаёт большую тягу (из-за увеличения работы цикла), но проигрывает в экономичности, так как при ступенчатом подводе теплоты термический КПД цикла снижается. Для доказательства рассмотрим два цикла: цикл A (1-2-3-4)и циклB (4-Т-3ф-4ф), которые вместе, как видно на рис. 6.9, составляют цикл (А+В) со ступенчатым подводом теплоты. Степень повышения давления в цикле B меньше, чем степень повышения давления в цикле A. Поэтому и термический КПД цикла B будет меньше, чем цикла A. Следовательно, преобразование подведённой теплоты в работу у составного цикла (цикла со ступенчатым подводом теплоты) в целом будет протекать с меньшим КПД, чем у исходного цикла A < 6.4. Цикл Брайтона с регенерацией теплоты Регенерация теплоты является одним из способов увеличения термического КПД цикла. На рис. 6.10 показана принципиальная схема ТВД с регенерацией теплоты. Основное отличие этого двигателя от ГТД, рассмотренных выше, состоит в том, что в нём имеется теплообменник (ТО), в котором выходящие из турбины (Т) газы передают часть своей теплоты воздуху, поступающему в теплообменник из компрессора (К). Подогрев воздуха в теплообменнике уменьшает количество теплоты, которое необходимо подвести к нему в камере сгорания (КС) для обеспечения заданной температуры цикла . Очевидно, регенерация теплоты возможна только при условии, что температура газа за турбиной больше температуры воздуха за компрессором ( Идеальный цикл такого двигателя составляют следующие процессы (рис. 6.11):
1) процесс 1-2 адиабатное сжатие во входном устройстве (ВХ) и компрессоре (К); 2) процесс 2-2 изобарный подвод теплоты q к воздуху в теплообменнике (ТО); 3) процесс 2 -3 изобарный подвод теплоты q в камере сгорания (КС); 4) процесс 3-4 адиабатное расширение в турбине (Т) и сопле (С); 5) процесс 4-4 изобарный отвод теплоты q от горячего газа в теплообменнике (ТО); 6) процесс 4 -1 изобарный отвод теплоты q в атмосферу. В Т, s-координатах количество теплоты , отдаваемой газом в теплообменнике, эквивалентно площади c4 4d, а такое же количество теплоты, получаемой в теплообменнике воздухом, площади a2 2 b. Очевидно, что эти площади равны. Максимальная температура, до которой может быть нагрет воздух в теплообменнике, равна температуре газа за турбиной ( ). В этом предельном случае в регенерации участвует максимальное количество теплоты . Степенью регенерации называется отношение действительного количества теплоты, участвующей в регенерации, к максимально возможному: В реальных ГТД с регенерацией теплоты 1. Термический КПД рассматриваемого цикла определяется по известному выражению . Применение регенерации, как видно из рис. 6.11, уменьшает теплоты и на одно и то же значение . Но так как q < q , то это уменьшение приводит к снижению отношения /q , т.е. к увеличению . Таким образом, при равных параметрах цикла двигатель, в котором реализован цикл Брайтона с регенерацией теплоты, имеет более высокое значение термического КПД и, следовательно, лучшую экономичность, чем двигатель без регенерации. 6.5. Циклы поршневых двигателей Поршневые двигатели в настоящее время широко используются на лёгких самолётах. Рабочими элементами поршневого двигателя (рис. 6.12) являются цилиндр и поршень, соединённый через шатун и коленчатый вал с потребителем мощности (винтом). При перемещении поршня изменяется объём цилиндра от максимального V до минимального V , и наоборот. Положение поршня, соответствующее V , называют нижней мёртвой точкой (НМТ), а соответствующее V верхней мёртвой точкой (ВМТ). Одно перемещение поршня между этими крайними точками называется ходом (тактом). В цилиндре имеются клапаны для впуска (всасывания) рабочего тела (воздуха или топливо-воздушной смеси) в начале цикла и выпуска (выхлопа) продуктов сгорания в его конце. Наибольшее распространение получили два типа поршневых двигателей: с принудительным зажиганием топливо-воздушной смеси (цикл Отто) и с самовоспламенением от сжатия (цикл Дизеля). Рассмотрим идеальные циклы этих поршневых двигателей. 6.5.1. Цикл Отто Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном объеме (рис. 6.13). Цикл применяется в поршневых двигателях с принудительным зажиганием (например, бензиновых) и протекает следующим образом. От исходного со-
горячих продуктов сгорания в атмосферу. Этот процесс в цикле Отто изображается изохорным процессом 4-1, замыкающем цикл. В процессе 4-1 происходит отвод теплоты q от рабочего тела в окружающую среду и возвращение его в исходное состояние 1. В четырёхтактном поршневом двигателе дополнительно осуществляются два вспомогательных такта, показанных на рис. 6.13 штриховой линией: 1-а опорожнение цилиндра от остатков продуктов сгорания (выхлоп); а-1 заполнение цилиндра свежей топливовоздушной смесью (всасывание). Эти процессы в двухтактных поршневых двигателях отсутствуют, а при анализе идеального цикла не рассматриваются. Для исследования цикла Отто необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры p , Т в исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабат ном процессе v /v и степень повышения давления p /p в изохорном процессе подвода теплоты Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла, используя соотношения параметров в соответствующих процессах. В адиабатном процессе 1-2 , откуда ,
в изохорном процессе 2-3 , откуда , в адиабатном процессе 3-4 , тогда . Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изохорного процесса 2-3 , для изохорного процесса 4-1 Следовательно, работа цикла Отто равна , а термический КПД = 1 = 1 . Термический КПД цикла Отто (при данном значении k) зависит только от степени сжатия (рис. 6.14). Как видно, с увеличением термический КПД цикла существенно увеличивается. В реальных двигателях, работающих по циклу Отто, увеличение ограничено возможностью появления взрывного сгорания топливовоздушной смеси (детонации) при высоких значениях . Детонация в условиях эксплуатации поршневых авиационных двигателей недопустима, так как может привести к выходу двигателя из строя. При ухудшении качества применяемого топлива (бензина) значения , при которых возможна детонация, уменьшаются. У современных поршневых двигателей с циклом Отто, использующих высококачественное топливо, значение достигает 8…10. 6.5.2. Цикл Дизеля Данный цикл является циклом поршневого двигателя с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.15). Цикл состоит из адиабатного процесса сжатия 1-2, изобарного процесса 2-3, в котором к рабочему телу подводится теплота q , адиабатного процесса расширения 3-4 и условно замыкающего цикл изохорного процесса 4-1, где от рабочего тела отводится теплота q .
Цикл Дизеля применяется в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива от сжатия. В идеальном цикле Дизеля (как и в цикле Отто) не рассматриваются вспомогательные процессы всасывания и выхлопа. Для исследования цикла Дизеля необходимо задать: род рабочего тела (k, R), его параметры в исходной точке цикла 1, степень сжатия в адиабатном процессе и степень расширения в изобарном процессе подвода теплоты q . Найдём температуру рабочего тела в характерных точках цикла 2, 3 и 4. В адиабатном процессе 1-2 , откуда . В изобарном процессе 2-3 , тогда . В адиабатном процессе 3-4 , откуда В изобарном процессе 2-3 к рабочему телу подводится теплота В изохорном процессе 4-1 от рабочего тела отводится теплота Тогда работа цикла Дизеля и его термический КПД равны: , . Видно, что термический КПД цикла Дизеля зависит от степени сжатия и степени расширения в процессе подвода теплоты. При постоянном значении увеличение ведёт к росту . Возрастание приводит к увеличению работы цикла, но уменьшает значение термического КПД цикла. Цикл Дизеля нашел широкое применение в поршневых двигателях с самовоспламенением топлива. В таких двигателях в процессе 1-2 сжимается не топливовоздушная смесь, а чистый воздух, причём с большим значением степени сжатия (= 16…25). В результате температура воздуха в конце сжатия поднимается до 550…750 ˚С. В процессе расширения 2-3 в цилиндр впрыскивается топливо, которое при такой температуре самовоспламеняется и сгорает. Впрыск топлива дозируется так, чтобы, несмотря на увеличение объёма, давление в цилиндре оставалось практически постоянным. Из сравнения формул термических КПД циклов Отто и Дизеля следует, что при одинаковых степенях сжатия цикл Отто будет иметь более высокий КПД, чем цикл Дизеля. Действительно, при любых значениях k и будет выполняться соотношение , вследствие чего > . Литература Кобельков В.Н., Улас В.Д. Федоров Р.М. Термодинамика и теплопередача. Под ред. Р.М.Федорова. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2012 г. 328 с. Мелик-Пашаев Н.И., Кобельков В.Н., Воротников Б.А., Березин Г.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1983 г. 267 с. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1991, 480 с. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1973. 396 с. Содержание Лекция 1. Термодинамическая система и ее состояние ……………………….. 3 1.1. Основные понятия и определения ………………………………………….. 3 1.2. Параметры состояния системы и уравнение состояния …………………… 3 1.3. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………… 4 1.3.1. Уравнение состояния идеального газа ……………………………………. 5 1.3.2. Уравнения состояния реальных газов …………………………………….. 6 |