Лекция №1 введение

Вид материала

Лекция

Содержание Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания Индикаторная диаграмма Индикаторная диаграмма идеального двигателя Идеальный цикл двигателя Цикл с подводом теплоты по изобаре Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты Сравнение термических КПД циклов с различным подводом теплоты. Цикл газотурбинных установок (ГТУ) К воздух поступает в камеру сгорания КС Цикл реактивного двигателя. Виды переноса теплоты

Подобный материал:

• С. В. Шадрина Лекция 5 сентября, 15: 00-16: 30, Введение в геометрию пространства модулей, 5.97kb.
• Первая лекция. Введение 6 Вторая лекция, 30.95kb.
• Текст лекций н. О. Воскресенская Оглавление Лекция 1: Введение в дисциплину. Предмет, 1185.25kb.
• А. И. Мицкевич Догматика Оглавление Введение Лекция, 2083.65kb.
• Лекция введение в экологию (В. И. Торшин), 1146.79kb.
• Конспект лекций н. О. Воскресенская Москва 2008 Оглавление: Лекция Введение в дисциплину, 567.5kb.
• План лекций педиатрический факультет 1 семестр 1 лекция. Введение в анатомию человека., 216.63kb.
• Сидоров Сергей Владимирович Планы лекций Введение в профессионально-педагогическую, 19.81kb.
• Русской Православной Церкви и их особенности. 22 сентября лекция, 30.24kb.
• План лекций: Лекция №1. Введение в тему, общие сведения. Введение, 99.54kb.

Лекция № 14

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Тепловые двигатели работа которых осуществляется за счет энергии топлива, сжигаемого в цилиндре самого двигателя, называется поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС)

ДВС подразделяются на:

-двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, работающие с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто) для бензиновых, карбюраторных ДВС

-двигатели с самовоспламенением работающие с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

-со смешанным подводом теплоты в начале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении (цикл Тринклера).

Рабочие процессы реального двигателя нельзя исследовать термодинамическим методом. Его исследуют в основном экспериментально специальными методами, но метод термодинамики используют для анализа циклов тепловых двигателей. Их результаты используют при конструировании ДВС и для исследования работы тепловых двигателей. Для этого вводится понятие идеального теплового двигателя и представляет его рабочий процесс в форме индикаторной диаграммы.

В идеальном двигателе рабочим телом является идеальный газ, потери протекают без потерь.

Индикаторная диаграмма- это линия изменения давления внутри цилиндра при перемещении поршня. Такие диаграммы у реальных двигателей снимаются специальными приборами, которые называются индикаторами.

Рабочий процесс идеального двигателя (индикаторная диаграмма) также как и реального принципиально отличается от цикла и его сводят к циклу используя следующие допущения:

1. процесс выпуска заменяется процессом отвода теплоты по изохоре, например через стенки цилиндра. Рабочее тело реального двигателя через клапан выталкивается в атмосферу.
   
2. процессы расширения и сжатия принимаются адиабатными.
   

Индикаторная диаграмма идеального двигателя




1-2 процесс впуска

2-3 адиабатное сжатие

3-4 подвод теплоты

4-5 адиабатное расширение (рабочий ход поршня ДВС)

5-1 выпуск

V_a -полный объем цилиндра

V_c -объем камеры сжатия

Идеальный цикл двигателя



Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты (цикл быстрого сгорания, цикл Отто)

Этот цикл состоит из следующих процессов



z-b адиабатное расширение

b-a изохорный отвод

с-z изохорный подвод теплоты g₁ к рабочему телу

Цикл с изохорным подводом теплоты определяется заданием начальных параметров в точке а , это P_a и T_a, а также параметров цикла V_a,V_c.

ε= V_a /V_c

Степень сжатия λ=P_z/P_c

Найдем термический КПД цикла

ŋ_t= g₁-g₂/ g₁ = ℓ_ц/ g₁

g₁=С_v(T_z-T_c)

Количество теплоты g₁ подведено к рабочему телу в изохорном процессе С_v=const, g₁=S_S1CZS2

g₂=С_v(T_b-T_a)

ŋ_t=1-g₂/g₁=1- С_v(T_b-T_a)/ С_v(T_z-T_c)=1-1/ ε^k-1

T_c/T_a=(V_a/V_c)^k-1= ε^k-1

ŋ_t=1-1/ ε^k-1

Отсюда следует, что термический КПД цикла тем больше, чем больше степень сжатия. Однако в ДВС с подводом теплоты по изохоре имеется предел роста степени сжатия. Дело в том, что в этих двигателях снижается смесь воздуха и бензина в процессе сжатия температура возрастает. При больших степенях сжатия температура смеси может стать равной температуре воспламенения топлива, еще до прихода в ВМТ, т.е. начинается преждевременное сгорание топлива в процессе сжатия горючей смеси. В этих случаях уменьшается полезная работа и в конечном итоге двигатель выходит из строя в связи с поломкой КШМ. Поэтому имеется ограничения по степени сжатия

ε=6-10

Цикл с подводом теплоты по изобаре

В ДВС с изобарным подводом теплоты термический КПД выше чем в ДВС с изохорным подводом теплоты за счет увеличения степени сжатия (ε=14-20),т.к. в них производится сжатие воздуха без топлива



g₁=С_p(T_z-T_c)

g₂=С_v(T_b-T_a)

ŋ_t=1-1/ ε^k-1·ρ^k-1/k(ρ-1)

Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты

При высоких степенях сжатия выгода от термического КПД (ŋ_t) может поглотиться возрастающим расходом работы на преодоление трения (падает механический КПД ŋ_м), оптимальным является степень сжатия при которой ŋ_t· ŋ_м=max.

Стремление упростить и улучшить работу двигателя привело к созданию двигателей со смешанным подводом теплоты. Данный цикл был предложен и осуществлен русским ученым Г.В. Тринклером.

Топливо распыляется в камеру сгорания цилиндра двигателя под давлением 300-400 бар. Процесс горения топлива организуется таким образом, что при его протекании горение совершается сначала при V=const и затем P=const, такие циклы называются смешанные. Все современные двигатели с воспламенением от сжатия работают по такому циклу. Хотя на практике подобные двигатели называют двигателями Дизеля, правильно было бы их называть двигателями Тринклера.












-Степень предварительного расширения

- степень последовательного расширения


δ, ε, ρ связаны соотношением





ŋ_t=1- g₂/g₁





Термический КПД данного цикла возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения.

Сравнение термических КПД циклов с различным подводом теплоты.

Примем для всех трех циклов одинаковое максимальное давление P_max и максимальную температуру T_max.

1. ACZB-цикл с изохорным подводом теплоты
   
2. AC'ZB- цикл с изобарным подводом теплоты
   
3. AEC₂ZB- цикл со смешанным подводом теплоты
   

Для всех трех циклов одинаков отвод количества теплоты g₂ и равно площади под линией процесса.

g₂=S_S1ABS2

Работа циклов

ℓ_ЦV=S_ACZB

ℓ_ЦP=S_AC'ZB

ℓ_ЦPV=S_ACC2ZB

ℓ_P> ℓ_PV> ℓ_V

ŋ_P> ŋ_PV > ŋ_V


Самый высокий термический КПД ŋ_P при изобарном подводом теплоты.

Цикл газотурбинных установок (ГТУ)

ГТУ является одним из видов теплового двигателя.

ГТУ имеет следующие преимущества перед ДВС: при прочих равных условиях затраты мет. на единицу мощности в ГТУ меньше чем ДВС, а КПД цикла для ГТУ может быть выше, чем для ДВС.


ГТУ широко используется:

- в качестве приводов центробежных компрессоров, для перекачивания природного газа от мест добычи к потребителю.

- двигатели на судах, локомотивах

- широко распространены в авиации.



Статным компрессором К воздух поступает в камеру сгорания КС, туда же поступает топливо подаваемое топливным насосом ТН. Сгорание происходит при постоянном давлении. Из камеры сгорания газы поступают в сопло С, где скорость потока газа возрастает и осуществляется перевод теплоты в кинетическую энергию потока, далее поток газа попадает на лопатки ротора турбины Л ротор начинает вращаться и происходит превращение кинетической энергии потока газа в механическую работу (вращение турбины Т, которую можно перевести в другие виды энергии: в электрическую с помощью электрогенератора).





При одинаковых степенях сжатия КПД ГТУ равен КПД ДВС, но при существенно меньшем давлении цикла.

КПД цикла ГТУ больше КПД ДВС с подводом теплоты при p=const. Но слишком высока частота вращения.


Цикл реактивного двигателя.


Сгорание топлива

Сгорание топлива - это быстрая реакция окисления углеводородов кислородом

При этом молекулярные связи разрываются, накопившееся энергия выделяется в виде теплоты.

При сгорании 1кг выделяется следующее количество теплоты:

1 кг бензина=44·10⁶ Дж=44 МДж/кг

1 кг ДТ=42·10⁶ Дж=42 МДж/кг

1 кг метана=34·10⁶ Дж=34 МДж/кг

Конечная реакция сгорания водорода и углерода в результате окисления кислородом

2H₂+O₂=2H₂O

C+O₂= CO₂

Теоретическое количество воздуха необходимого для сгорания 1кг бензина=15кг

Коэффициент избытка воздуха α- это отношение действительного количества воздуха поступившего в цилиндр (L_Д), к теоретически необходимому (L_Н)




α=1 в идеале

α>1 бедная смесь

α<1 богатая смесь

Виды переноса теплоты

-теплопроводность

-конвекция

-излучение

Существует 3 основных способа распространения тепла:

-теплопроводность

-конвекция

-излучение

Теплопроводность- это процесс передачи теплоты по средствам межмолекулярных столкновений.

Наиболее распространен в твердых телах, не значительно присутствует в жидкостях и газах. Полностью отсутствует в вакууме, по причине отсутствия молекул. Молекулы, атомы и электроны вещества движутся со скоростями пропорционально температуре. За счет взаимодействия друг с другом, быстродвижущиеся частицы отдают часть своей энергии медленным частицам, таким образом теплота переносится из зоны с высокой в зону с более низкой температурой.

Конвекция-это процесс передачи теплоты связанный с перемещением в пространстве макротел (масс вещества).

Наиболее распространен в жидкостях и газах. При этом уже не отдельные молекулы, а большие макроскопические объемы горячей жидкости или газа перемещаются в зоны с более низкой температурой (за счет действия сил Архимеда тела имеющие меньшую плотность (большую температуру) поднимаются вверх). Холодная жидкость или газ попадают в зоны более высоких температур в результате перемешивания при конвективном теплообмене.

Излучение-процесс передачи теплоты в пространстве через лучепрозрачные среды в том числе через вакуум по средствам электромагнитного или радиационного теплообмена. Связан с распространением электромагнитных волн.

Носителем энергии при тепловом излучении являются фотоны излучаемые или поглощаемые телами, или электромагнитные излучения. Данные способы передачи теплоты в природе встречаются крайне редко, как правило происходят сложные виды теплообмена, когда одновременно происходит несколько способов передачи теплоты. Наиболее часто встречается конвективный и радиационный теплообмен.

Конвективный - сложный теплообмен при котором одновременно присутствует теплопроводность и конвекция. Распространен в жидкостях и газах.

Радиационный – это теплообмен в результате комбинации конвекции и излучения. Наиболее распространен в разряженных газах.

В технике часто рассматривается передача теплоты: теплоотдача и теплопередача.

Теплоотдача- это передача теплоты от твердой стенки к омывающей её жидкости или газа



Q-тепловой поток

Тепловой поток – это количество теплоты, которая передается через рассматриваемую поверхность за единицу времени.


Теплопередача – это передача теплоты от одной жидкости другой через твердую стенку. Имеет место в теплообменных аппаратах.