Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты

Степень сжатия можно повысить, если сжимать только воздух, а в конце процесса сжатия подать в цилиндр горючее вещество, которое самопроизвольно воспламенится от высокой температуры.

В этом случае процесс горения происходит медленно, так как, прежде всего, все топливо сразу и мгновенно подать в цилиндр просто невозможно. Горение происходит при одновременном расширении, и поэтому давление остается в процессе горения близким к постоянной величине.

Этот цикл получил название его изобретателя – Дизеля, который подал патент на свой двигатель в 1892 году.

 

 

Рис. 54

Термический КПД такого двигателя равен

.

(193)

Из данного уравнения хорошо видно, что экономичность цикла Дизеля также зависит от степени сжатия, с ростом которой КПД возрастает. Предел степени сжатия ограничен сверху максимальным допустимым давлением в цилиндре, до 20 бар. Увеличение отношения v₃/v₂, которое называют степенью предварительного расширения, ухудшает КПД двигателя, что необходимо учитывать при проектировании.

Таким образом, возникает некоторое противоречие. С одной стороны, возможность увеличения КПД ДВС за счет использования цикла Дизеля ограничивается «длиной» участка 2-3. С другой стороны, чем длиннее этот участок, тем больше теплоты можно получить (сжечь больше топлива) в одном и том же ДВС, то есть повысить его удельные характеристики. Это противоречие устранено в цикле Тринклера.

 

Цикл ДВС с изобарно-изохорным подводом теплоты

Цикл Тринклера изображён на рис. 55. Адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха, при котором достигается температура, превышающая температуру самовоспламенения топлива. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, впрыскиваемого в цилиндр, изобара 3-4 – горению остальной части топлива, продолжающего поступать в цилиндр. Расширение 4-5 и выхлоп 5-1 аналогичны вышеописанным.

 

 

Рис. 55

Таким образом, теплота q₁ подводится в двух процессах: 2-3 и 3-4, то есть:

.

Термический КПД такого цикла определяется уравнением:

.

(194)

В таком двигателе для впрыска топлива используются форсунки высокого давления, которые распыляют топлива таким образом, чтобы обеспечить необходимое проведение процесса его горения. Степень сжатия в таком ДВС может достигать 18.

 

Циклы паросиловых установок

 

Рабочие вещества, реализующие циклы ДВС, работают в области газа. КПД этих циклов невысок, т.к. они по своей конфигурации далеки от цикла Карно с максимально возможным КПД. Использование в качестве рабочего тела водяного пара позволяет на практике осуществлять цикл Карно., изображённый в T-S диаграмме на рис. 56.

 

 

Рис. 56.

Постоянство давления в изобарных процессах подвода и отвода теплоты обеспечивается испарением или конденсацией части насыщенного пара.

Процесс 4-1 – изобарно-изотермическое парообразование в парогенераторе.

Процесс 1-2 – адиабатное расширение пара в турбине.

Процесс 2-3 – изобарно-изотермическая неполная конденсация пара.

Процесс 3-4 – сжатие пара в компрессоре до его полного превращения в воду.

Верхняя температура цикла Т₁ определяется критической точкой (для воды – 374, 14 С) и практически не может быть принята более 350⁰С. При этом давление Р₁ составляет 16 МПа. Нижняя температура определяется атмосферными условиями, Т₂ составляет 25 ^оС, Р₂ – 0, 003 МПа. При этих условиях термический КПД не высок.

На практике цикла Карно не применяется, причиной чего служат неблагоприятные условия работы турбины при высокой влажности пара. Кроме того, сжимающий пар компрессор должен иметь очень большие габариты, а условия его работы были бы крайне тяжелыми. В связи с этим используется цикл с перегревом пара и полной его конденсацией, а вместо компрессора используется водяной насос, подающий сконденсировавшуюся воду в парогенератор. Такой цикл называется циклом Ренкина (см. рис. 57).

 

 

Рис. 57.

На T-s – диаграмме площадь 4-5-6-1-7-8-4 – изображает теплоту q₁, затраченную на получение перегретого пара, площадь 2-3-8-7-2 – теплоту q₂, отданную в процессе конденсации пара охлаждающей воде, площадь 1-2-3-4-5-6-1 – разность q₁-q₂, то есть полную теплоту цикла, превращенную в работу. Работа насоса незначительна и ей обычно, пренебрегают.

Термический цикл Ренкина зависит от энтальпии пара до и после турбины и энтальпии воды на входе в парогенератор. Иначе говоря, на термический КПД цикла влияют три параметра – давление пара Р₁, его температура Т₁, давление пара на выходе из турбины Р₂ после адиабатного расширения.

Анализ показывает, что увеличение только начального давления приводит к возрастанию КПД, однако при этом растет влажность пара в последних ступенях турбины, что плохо сказывается на условиях ее работы. Термический КПД растет также, с повышением начальной температуры, при этом влажность пара на выходе снижается, снижая потери в турбине.

Расчеты КПД такой установки показывают, что он не превышает 35 %.

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении курса лекций автору ещё раз хотелось бы подчеркнуть, что термодинамика является языком, на котором студенту придётся разговаривать на старших курсах при изучении таких дисциплин, как «Компрессорные машины и установки», «Холодильные и криогенные установки», «Холодильные и криогенные машины», «Тепло- и массообменные аппараты». Успешность изучения этих дисциплин напрямую зависит от освоения студентами языка термодинамики.

 

 

БИБЛИОГРАФИЯ

 

1. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика – М.: Изд-во МЭИ, 2008 - 496 с.

2. Исаев С.И. Термодинамика – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000 – 412 c.

3. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике - М.: Машиностроение, 1973 - 344 с.

4. Андрианова Г.П. и др. Сборник задач по технической термодинамике - М.: Изд-во МЭИ, 2000 - 356 с.

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: