Подводимая
теплота
В цикле Тринклера теплота подводится в процессах: 2-3 (v=const) и 3-4 (p=const), поэтому
q
1
= с
v
(T
1
λe
k-1
-T
1
e k-1
)+с
p
(T
1
λ ρ e
k-1
-T
1
λe
k-1
)= с
v
T
1
e
k-1
[λ-1+kλ(ρ-1)].
Отводимая
теплота
Теплота отводится в
изохорном процессе
4-5.
|q
2
|= с
v
(T
5
-T
1
)=с
v
T
1
(λ ρ
k
-1).
Разница между подводимой и отводимой теплотой равна площади цикла на тепловой диаграмме:
Работа
цикла
Работа цикла равна разнице между подводимой и отводимой теплотой:
L
ц
= q
1
- |q
2
| = с
v
T
1
{e
k-1
[λ-1+kλ (ρ -1)]- (λ ρ
k
-1)}.
Графически работа цикла равна площади цикла на рабочей диаграмме
Термический
КПД цикла
Термический
КПД
цикла равен отношению цикловой работы к
подводимой теплоте
:
Термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла зависит от характеристик цикла ε, λ, ρ и от свойств рабочего тела k = Cp / Cv
Показатель адиабаты k определяется составом продуктов сгорания и изменяется незначительно от 1,33 до 1,37.
Анализ
влияния характеристик цикла ε, λ, ρ на КПД
Чем шире температурный диапазон цикла (разница между средними температурами
42 42
подвода и отвода теплоты), тем больше его термический КПД.
Рис. 6.4. К анализу эффективности цикла Тринклера
При увеличении степени сжатия конечная точка процесса 1-2 сместится в т.2' (рис. 4).
Средняя температура подвода теплоты T
1СР
при этом увеличится, как и термический кпд.
Для цикла Тринклера степень сжатия изменяется в пределах:ε = 10…13
С увеличением степени повышения давления конечная точка процесса 2-3 сместится в т.3'.
Средняя температура подвода теплоты T
1СР
увеличивается, как и термический КПД.
Обычно
λ ≈ 2.
С увеличением степени предварительного расширения конечная точка процесса 3-4 сместится в т.4'. Надо отметить, что для замкнутости цикла т. 5 необходимо сместить в т.
5'. При этом увеличиваются средняя температура подвода теплоты T
1СР и средняя температура отвода теплоты T
2СР
T
2СР
растет быстрее (по изохоре),
T
1СР
растет медленнее (по изобаре).
Температурный диапазон цикла сузится и термический КПД уменьшится.
;
Увеличение степени предварительного расширения снижает термический КПД. На практике
ρ
стараются уменьшить:
ρ= 1,1…1,9.
Конструкция двигателя, работающего по циклу Тринклера, включает «предкамеру»
(рис. 6.5). После сжатия воздуха в «предкамеру» подается под высоким давлением топливо и происходит быстрое сгорание приготовленной смеси при постоянном объеме, а потом происходит сгорание горючего при постоянном давлении по мере его поступления в камеру сгорания.
Рис. 6.5. Схема ДВС, работающего по циклу Тринклера
Цикл
бензиновых ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным искровым зажигание горючей смеси (применяют на легковом автотранспорте).
Характеристики цикла
43 43 степень сжатия степень повышения давления
Параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла определяются аналогично рассмотренному ранее циклу Тринклера
Рис. 6.6. Цикл Отто. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.
1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изохорный подвод теплоты,
3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты
Подводимая
теплота
Отводимая теплота
Работа цикла
Термический КПД цикла
Чем больше степень сжатия ε, тем выше эффективность цикла. Увеличение ε в карбюраторных двигателях ограничено наступлением детонации (взрывного сгорания), которая зависит от температуры самовоспламенения горючей смеси и конструктивных особенностей камеры сгорания, поэтому ε = 612.
Цикл
компрессорных дизелей - ДВС тяжелого топлива (дизельного, солярного и др.) с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением горючего от сжатого до высокой температуры воздуха. Горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются на судах и в качестве стационарных установок электростанций.
Характеристики цикла степень сжатия степень предварительного расширения
44 44
Рис. 6.7. Цикл Дизеля. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы
1-2 – адиабатное сжатие, 2-3 – изобарный подвод теплоты,
3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – изохорный отвод теплоты
Подводимая теплота
Отводимая теплота
Работа цикла
Термический КПД цикла
Верхний предел ε ограничивается в дизелях быстрым увеличением давления. Применяют значения ε = 1425. Увеличение ρ отрицательно влияет на повышение эффективности цикла. По мере совершенствования процессов смесеобразования и горения ρ уменьшается.
Решение
примеров.
Дано: начальное давление – P
1
=0,09МПа; начальная температура – T
1
=270К; степень сжатия –
ε
=16; степень повышения давления –
λ
=1,6; степень предварительного расширения –
ρ
=1,9; рабочее тело – воздух;
Rв=287Дж/(кг·К); Ср=1,01 кДж/(кг·К); Сv=0,72кДж/(кг·К); n
1
=1,32 (сжатие); n
2
=1,4 (расширение).
1.
Рассчитать
: Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const.
Определить: параметры состояния (p, v, T) рабочего тела в характерных точках цикла; удельную работу расширения, сжатия, работу цикла; удельное количество подведенной и отведенной теплоты; изменение внутренней энергии (u), энтальпии (h) и энтропии (s) в процессах цикла, среднее индикаторное давление в цикле (p i
); термический КПД цикла Карно.
Допущения:
•
процессы протекают во всех стадиях с постоянным количеством рабочего тела;
•
процесс сгорания заменяется подводом теплоты к рабочему телу через стенки цилиндра от некоторого фиктивного горячего источника теплоты (химический состав рабочего тела постоянен при всех стадиях термодинамического цикла);
•
процессы сжатия и расширения рабочего тела принимаются адиабатными;
•
удаление отработавшего рабочего тела заменяется отводом теплоты от рабочего тела через стенки цилиндра к холодному источнику теплоты (холодильнику);
•
теплоемкости рабочих тел не зависят от температуры;
•
рабочим телом является идеальный газ.
45 45
Цикл ДВС с подводом теплоты при р = const.
точка 1
точка 2
точка 3
точка 4
Р
1
;
2 3
2 3
ρ
=
=
T
T
v
v
Т
1
;
1 1
2 1
1 2
n
n
v
v
P
P
ε
=
=
Р
2
=Р
3
;
1 2
4 3
3 4
−
=
n
v
v
T
T
Удельная работа расширения сжатия полезная
Удельное количество теплоты подведенной отведенной полезной
КПД цикла
Термический
Карно среднее индикаторное давление
Изменение внутренней энергии энтальпии энтропии
Средняя интегральная температура подвода теплоты отвода теплоты
2.
Рассчитать
: Цикл ДВС с подводом теплоты при v = const.
3.
Рассчитать
: Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты.
Исходные данные и допущения для заданий 2 и 3 взять из 1 задания. Таблица расчетных формул составляется исходя из процессов, происходящих для заданных циклов ДВС.
Контрольные
вопросы
1.
В чем заключается различие рабочих и тепловых диаграмм термодинамических циклов с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) и при постоянном давлении (цикл Дизеля)?
46 46 2.
Каковы допущения, используемые для теоретических термодинамических циклов?
3.
В чем заключаются особенности термодинамического цикла со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) применительно к рабочей (p-v) и тепловой (Т- s) диаграммам?
4.
Как определить удельное количество подведенной и отведенной теплоты в термодинамическом процессе?
5.
Что такое среднее индикаторное давление в цикле?
6.
Из каких основных узлов состоит поршневой ДВС?
7.
Какие типы ДВС существуют и какие термодинамические циклы с ними связаны?
8.
Какие характерные точки выделяют на термодинамических циклах ДВС?
Двигатель_Стирлинга.'>Практическое
занятие № 7
7.
Поршневые
газовые машины. Двигатель Стирлинга.
Цель работы: Изучение принципа действия газовых двигателей поршневого типа.
План проведения занятия:
1.
Рассмотрение теоретических сведений.
2.
Ответы на контрольные вопросы.
Краткие
теоретические сведения
Недостатком большинства тепловых машин с однофазным рабочим телом является то, что температура рабочего тела растет с подводом теплоты, а при отводе теплоты – уменьшается. Максимальная температура в процессе подвода теплоты значительно выше средней температуры в нем, а минимальная температура в процессе отвода теплоты – значительно ниже средней температуры. КПД такой тепловой машины значительно ниже максимально возможного значения КПД, которым является КПД цикла Карно с подводом теплоты при температуре нагревателя (максимальной температуре цикла) и отводом теплоты при температуре охладителя (минимальной температуре цикла).
Особенностью рабочих процессов всех ДВС является то, что рабочее тело в цикле претерпевает химические превращения и требует замены, то есть для работы ДВС необходим или постоянный контакт с атмосферой, или необходимо иметь запас рабочего тела и предусмотреть технические устройства для отвода выпускных газов.
В принципе существует возможность создать тепловую машину, работающую по циклу Карно (рис. 7.1). Рабочим телом ее будет являться двухфазный теплоноситель.
Однако ей будут свойственны два серьезных недостатка. В ее состав должны входить машины расширения и сжатия, работающие в двухфазной области с недопустимо малым ресурсом. Кроме того, максимальная температура подвода теплоты ограничена критической температурой рабочего тела, а для того, чтобы хотя бы приблизиться к этому ограничению, необходимо работать с большими максимальными давлениями цикла.
Паровые машины, работающие по циклу Ренкина (паротурбинному), за счет некоторого уменьшения КПД избавлены от первого недостатка машины Карно. Однако ограничение по максимально допустимому давлению сильно ограничивает их КПД.
47 47 Рис. 7.1. Машина Карно: а – конструкция; б – цикл Двигатель Стирлинга – это газовый двигатель поршневого типа, сочетающий в себе высокий КПД цикла Карно, независимость от источника паровых машин с отсутствием жестких ограничений по максимальной температуре рабочего тела. Достоинства двигателя Стирлинга: • КПД, равный КПД цикла Карно, что делает эффективной работу двигателя даже при относительно небольшой разнице температур между источником и стоком теплоты; • независимость рабочих процессов в двигателе от источника теплоты; • возможность работы при незаменяемом рабочем теле; • относительно небольшое максимальное давление цикла; • низкий шум работы. Недостатки двигателя Стирлинга: • так как источник теплоты – внешний, то двигатель медленно реагирует на изменение подводимого теплового потока и переход от одного режима работы к другому продолжается долго, что затрудняет применение двигателей данного типа в транспортных средствах; • двигатель Стирлинга требует больших размеров охладителей по сравнению с ДВС, обладает по сравнению с ДВС меньшей удельной мощностью при примерно равном КПД; • двигатель Стирлинга дороже аналогичного ДВС. На нынешнем этапе технического развития двигатели Стирлинга не выдерживают конкуренции двигателей других типов и используются там, где двигатели других типов малоприменимы. В настоящее время двигатели Стирлинга используются: • в тепловых электростанциях малой мощности. Используется возможность эффективной работы при малой разнице температур между источником и стоком теплоты. Источником теплоты энергии могут являться выхлопные газы, горячая вода технологического происхождения или гейзеры и т.п. Электростанции данного типа успешно производит новозеландская компания WhisperGen; • в солнечных электростанциях. В 2005 г. В Калифорнии (США) был принят план по строительству солнечных электростанций с двигателем Стирлинга общей мощностью 500 МВт. Площадь зеркал концентраторов этих электростанций должна составить примерно 19 км 2 • в силовых установках подводных лодок. Подводные лодки класса «Готланд» (Швеция, серия с 1996 г.) оснащены двумя двигателями Стирлинга типа V4-275R. Эти двигатели, работающие на смеси дизельного топлива и перекиси водорода, позволяют лодке поддерживать подводный ход в течение 20 суток без всплытия и связи с атмосферой. • - в радиоизотопных силовых установках космических аппаратов. Примером может являться силовая установка SRG (NASA, США). Источником теплоты в ней служит капсула с плутонием-238 весом 1,44 кг. Электрическая мощность установки – 100…120 Вт. Идеализированный цикл и конструкция двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует в качестве рабочего тела обычный газ. На рис. 7.2 48 48 представлен его идеализированный цикл, а возможные конструкции на рис. 7.3. Особенностью двигателя Стирлинга является наличие двух полостей – горячей, к которой подводится теплота, и интенсивно охлаждаемой холодной. Эти полости соединены каналом, в котором установлен регенератор. Рис. 7.2. Идеальный цикл Стирлинга Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов: • изохорный процесс сжатия c-z, - вытеснение рабочего тела из холодной полости в горячую через регенератор; • изотермический процесс подвода теплоты z-e, - подвод теплоты к рабочему телу в горячей полости; • изохорный процесс расширения e-a, вытеснение рабочего тела из горячей полости в холодную через регенератор; • изотермический процесс отвода теплоты a-c, - отвод теплоты от рабочего тела в холодной полости. Предположим, что рабочее тело – идеальный газ. Тогда работа цикла будет Соответствено термический КПД цикла Рис. 7.3. Типы двигателей Стирлинга: а - α ; б - β ; в - γ ; 1 – горячая полость; 2 – холодная полость; 3 – регенератор; 4 – поршень; 5 – вытеснитель; 6 – шестерня. Так как изохоры идеального газа на s-T-диаграмме эквидистантны, то Среднее термодинамическое давление цикла где степень нагрева газа в цикле и степень сжатия Конструктивно выделяют три основных типа двигателей Стирлинга (рис. 7.3). • α -Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень – горячий, другой – холодный. Цилиндр с горячим поршнем 49 49 находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Он обеспечивает наибольшую удельную мощность, но в силу высоких температур конструкции горячего поршня малоприменим. • γ -Стирлинг располагает поршнем и вытеснителем и двумя цилиндрами – одним холодным (там движется поршень, с которого снимается мощность), а другим горячим с одного конца и холодным с другого (там движется вытеснитель). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. γ -Стирлинг имеет наименьшую удельную мощность из всех типов. • β -Стирлинг наиболее распространенный тип двигателя. У двигателя β -типа цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Чаще всего двигатели данного типа используют ромбический привод, обеспечивающий связь поршня и вытеснителя с валом съема мощности. Рабочим телом в двигателях может служить любой газ или газовая смесь. В описанных конструкциях использовались воздух, водород, гелий, криптон, двуокись углерода и двухфазные смеси. Воздух является наиболее дешевым рабочим телом в земных условиях. Установки с воздухом в качестве рабочего тела наиболее просты и дешевы. Гелий и водород обладают малой вязкостью и высокой теплопроводностью, мало зависящей от давления, позволяет получать минимальные гидравлические потери. Но они обладают высокими удельными объемами и способностью проникать через уплотнения и конструкционные материалы, водород в земных условиях пожароопасен. Криптон и двуокись углерода использовались как химически инертные газы, не обладающие способностью проникать через уплотнения гелия. Использование двухфазных смесей позволяет получать большие коэффициенты теплопередачи со стенками и уменьшить размеры теплообменных поверхностей или ускорить рабочие процессы. При испытаниях силовой установки космического аппарата при различных рабочих телах КПД составил: для воздуха – 29,4%, для гелия – 35,1%, для водорода – 40%. Расчет параметров цикла Стирлинга В реальном цикле только часть теплоты процесса е-а передается к рабочему телу в процессе c-z. Обозначим параметры рабочего тела на выходе из генератора a и z (рис. 4). Очевидно, что qea = qcz. Рис. 7.4. Цикл Стирлинга Степенью генерации ηηηη рег называют отношение восстановленного тепла к количеству восстановленного тепла в идеализированном процессе. Если рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью, то
50 50
Определим и
:
Перепад температур где
- степень нагрева газа в цикле.
Удельную работу цикла можно определить как разность работ сжатия и расширения где
- удельная работа расширения (процесса z-e),
- удельная работа сжатия (процесса а-с):
,
- изотермический кпд процессов расширения и сжатия газа.
Степень повышения давления при сжатии и расширении:
Коэффициент восстановления полного давления в системе подвода тепла и в системе охлаждения
,
Давления в конце процессов сжатия и расширения в изохорном процессе:
Удельные работы на расширение и сжатие газа
Удельное количество восстановленной теплоты при регенерации
Для количества теплоты, передаваемого генератором за единицу времени, справедливо где G – расход рабочего тела в двигателе, кг/с,
α
– коэффициент теплоотдачи поверхности регенератора, Вт/(м2.К);
F – площадь поверхности регенератора;
∆T – перепад температур между холодным и горячим теплоносителем в регуляторе.
51 51
Для реализации идеального цикла Стирлинга с полной регенерацией необходим теплообменник – регенератор бесконечной площади. Поэтому в существующих двигателях Стирлинга степень регенерации не превышает 0,7…0,75.
Удельное количество подведенной теплоты в цикле
Удельное количество отведенной теплоты в цикле
Термический КПД цикла
В идеальном цикле Стирлинга
Так как удельная работа цикла растет с увеличением степени нагрева газа в цикле и степени повышения давления газа при сжатии, то целесообразно принимать максимальную температуру и давление цикла предельно возможными при принятых конструкционных материалах. В начале XXI века допускалось Tz = 1000…1200 o
K.
Массовый расход рабочего тела G, определяющий размеры двигателя, определяют из уравнения баланса мощности. где А = 1,1…1,3 – коэффициент,
учитывающий затраты электроэнергии на собственные нужды электростанции;
N
эл
– электрическая мощность энергоустановки;
η
Г
– КПД электрогенератора;
η
пр
– КПД преобразователя электрического тока;
ηМ – механический КПД двигателя.
В табл.
1 приведены параметры энергоустановки солнечной электростанции космического аппарата на базе двигателя Стирлинга, спроектированной фирмой
«Аллисон»
(США) в
90-е годы
XX века. КПД установки достаточно большой, удельный вес энергоустановки чрезмерно велик – 64 кг/кВт, что выше аналогичного параметра энергоустановок на базе солнечных батарей.
Таблица 1. Параметры энергоустановки космического аппарата на базе двигателя
Стирлинга
Параметр
Значение
Электрическая мощность
4 кВт
Рабочее тело гелий
Частота вращения ротора
3000 об/мин
Максимальная температура цикла
675 о
С
Минимальная температура цикла
66 о
С
Максимальное давление цикла
100 бар
КПД цикла
0,375
КПД генератора
0,8
КПД расширения и сжатия
0,6
Площадь поверхности радиаторов
15 м
2
52 52
Масса концентратора
80 кг
Масса преобразователя
80 кг
Масса энергоустановки
258 кг
Контрольные
вопросы
1.
В чем состоит различие идеального цикла двигателя Стирлинга от цикла ДВС?
2.
В чем состоит различие идеального и реального циклов двигателя Стирлинга?
3.
В чем состоит конструктивное различие между
α
;
β
;
γ
- типами двигателей
Стирлинга?
4.
Какие газы можно использовать в качестве рабочего тела в двигателях Стирлинга?
5.
Из чего складывается удельная работа цикла в двигателях Стирлинга?
6.
Как определить удельное количество подведенной и отведенной теплоты в цикле двигателя Стирлинга?
Библиографический
список
1. . Основы современной энергетики : учебник для вузов : в 2 т. / под общей редакцией
Е.В. Аметистова. - 5-е изд., стер. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Том 1. Современная теплоэнергетика / А.Д. Трухний и др. Том 2. Современная электроэнергетика / под ред. профессоров А.П. Бурмана и В.А. Строева.
2. Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика: учебное пособие. — Москва: КноРус, 2010. (Библ.
ВлГУ)
3. Атомные электростанции: учебное пособие / Зорин В.М.- М.: Изд. дом МЭИ, 2012.
4. Промышленные теплоэнергетические установки и системы: учеб. пособие для вузов /
Б.В. Сазанов, В.И. Ситас. - М.: Изд. дом МЭИ, 2014.
5. Атомная энергетика XXI века: учебное пособие / Смирнов Ю.Б., Габараев Б.А.,
Черепнин Ю.С. М.: Изд. дом МЭИ, 2013.
Интернет-ресурсы
1.
http://stroy-technics.ru/article/termodinamicheskie-tsikly-dvigatelei-vnutrennego- sgoraniya
2.
http://autohis.ru/stirling.php
3.
http://stringer46.narod.ru/SteamPower.htm
Оглавление
стр.
1.
Введение.
3 2.
Основные определения термодинамики.
4 3.
Термодинамические процессы.
9 4.
Тепловые электрические станции
13
5.
Атомные электрические станции
28 6.
Анализ паросилового цикла Ренкина
32 7.
Термодинамические процессы в двигателях внутреннего сгорания
37 8.
Поршневые газовые машины. Двигатель Стирлинга
46 9.
Библиографический список
52
Оглавление
52
| 
Скачать 3.48 Mb.