Цикли теплових двигунів. Цикли поршневих ДВЗ

Усі теплові двигуни поділяються на два основні типи:

1. Двигуни внутрішнього згоряння. В яких паливно-повітряна суміш згоряє всередині двигуна (робочої машини), безпосередньо перед процесом розширення. До них відносяться поршневі, газотурбінні, реактивні.

2. Теплові двигуни із зовнішнім згорянням паливно-повітряної суміші або підведенням теплоти: ПСУ, що встановлюють на теплових електричних станціях, АТЕС, ТЕЦ, АТЕЦ і т.д. та двигуни Стірлінга.

Поршневі ДВЗ мають ряд переваг перед іншими двигунами—малі геометричні розміри і маса у порівнянні з ПСУ, вища температура верхнього джерела теплоти, тобто ширший діапазон температур робочого тіла, а отже, і вищий термічний ККД.

В основі принципу дії поршневого ДВЗ є перетворення зворотно-поступального руху поршня за допомогою кривошипно-шатунного механізму в обертальній рух вала.

Метою термодинамічного аналізу циклу будь-якого теплового двигуна є визначення величин, які безпосередньо впливають на термічний ККД даного двигуна, виявлення параметрів, що впливають на зміну термічного ККД і внесення подальших конструкційних вдосконалень для зміни усіх параметрів і підвищення загального ККД.

При термодинамічному аналізі також визначають середній індикаторний тиск робочого тіла в процесі виконання ним циклу, що підраховується за формулою:

,

де початковий і кінцевий об’єми робочого тіла, м³; питома зовнішня корисна робота, виконана двигуном за цикл, Дж/кг.

Також визначається зовнішня корисна робота, що підраховується за такими загальними залежностями:

,

де кількість підведеної до двигуна теплоти за цикл від верхнього джерела теплоти, Дж/кг; термічний ККД даного двигуна за цикл; кількість відведеної теплоти від двигуна до нижнього джерела теплоти, Дж/кг.

Термодинамічний аналіз циклів ДВЗ з ізохорним, ізобарним і змішаним підведенням теплоти. Методи підвищення термодинамічного ККД циклів ДВЗ.

Термодинамічний аналіз поршневого ДВЗ з підведенням теплоти при сталому об’ємі (цикл Отто, цикл бензинового двигуна).

Принципова схема та індикаторна діаграма.

У 1867р. німецький механік Ніколаус Отто запропонував конструкцію і цикл ДВЗ з попереднім стиском горючої суміші в циліндрі, що дало змогу суттєво покращити ККД.

1—циліндр; 2—поршень; 3—впускний клапан; 4—випускний клапан; 5—електрична свічка.

а-1—ізобарний впуск паливно-повітряної суміші через відкритий впускний клапан 3 в циліндр, в тому числі за рахунок тиску Ратм.. При цьому поршень рухається із ВМТ до НМТ; 1-2—політропний стиск паливно-повітряної суміші до досягнення темпе-ратури, нижчої від температури самозайман-ня палива. 2-3—ізохорне (миттєве) згоряння паливно-повітряної суміші від електричної свічки;

3-4—політропне розширення продуктів згоряння (поршень рухається із ВМТ у НМТ)—робочий хід;

4-5—ізохорне, майже миттєве, відведення теплоти з продуктами згоряння через відкритий випускний клапан 4;

5-в—повне ізобарне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня з НМТ у ВМТ і відкритому клапані 4;

в-а—ізохорне закриття клапана 4 і відкриття клапана 3.

Аналіз циклу в PV і TS координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла, що відповідає стиску паливно-повітряної суміші в циліндрі по політропі;

2-3—ізохорне підведення теплоти , що відповідає миттєвому згорянню паливно-повітряної суміші, підпаленої від електричної іскри, в реальному двигуні;

3-4—адіабатне розширення робочого тіла, що відповідає робочому ходу;

4-1—ізохорне відведення теплоти з продуктами згоряння в оточуюче середовище.

Цей цикл характеризується наступними параметрами.

1. Ступінь адіабатного стиску:

.

Параметр відповідає конкретному конструкційному параметру двигуна— ступеню стиску, який для реального бензинового двигуна складає 7-16. Це число для двигуна обмежене температурою самозаймання паливно-повітряної суміші і залежить від антидетонаційних властивостей палива.

2. Ступінь підвищення тиску:

.

змінюється в межах від 1,2 до 1,8. При термодинамічному аналізі циклів визначають , вплив величин та на його ріст для подальшого аналізу, з метою підвищення цих величин і відповідною зміною в конструкції двигуна.

визначається з наступних рівнянь:

,

де .

З урахуванням рівнянь параметрів циклу і рівнянь 1-2 і 3-4 адіабатного процесу можна отримати вираз для в наступному вигляді:

,

де показник адіабати робочого тіла.

З останнього виразу можна зробити наступні висновки.

1. залежить від ступеня стиску (конструкцій двигуна) і показника адіабати (властивостей робочого тіла).

2. Із зростанням зростає , але при досягненні зростання зменшується.

При досягненні можлива детонація двигуна. Детонація—некерований процес згоряння паливно-повітряної суміші, який є вибухоподібним, тобто згоряння починається не від електричної свічки, а від температури паливно-повітряної суміші, що перевищує температуру самозаймання палива ще до приходу поршня у ВМТ. При цьому падає потужність, швидко виходять з ладу конструкційні елементи і зростають витрати палива.

За допомогою РV- і TS- діаграм (площ фігур на них) можна обчислити роботу, затрачену на стиск (), роботу, отриману при розширенні (), а приблизно рівна зовнішній корисній роботі, виконаній двигуном за циклом .

Термічний ККД можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах.

еквівалентна корисно використаній теплоті в даному циклі.

Існують наступні методи підвищення : зменшення кількості відведеної теплоти без зміни підвищення теплоти ; збільшення кількості теплоти без зміни відведеної теплоти ; одночасне збільшення і зменшення .

Розглянемо методи підвищення термічного ККД на TS-діаграмі.

Для зменшення необхідно понизити температуру робочого тіла в кінці адіабатного процесу розширення, тобто більше охолодити робоче тіло після робочого ходу. Кількість відведеної теплоти .

В реальних двигунах зниження досягається наступними конструкційними змінами—використанням теплоти продуктів згорання для підігріву паливно-повітряної суміші перед впуском.

Для підвищення необхідно підвищити температуру Т₂ робочого тіла в кінці стиску, тоді . Підвищення в основному зумовлене підвищенням температури в кінці стиску, а отже, підвищенням ступеня стиску .

Одночасне збільшення і зменшення може досягатись наступним перерозподілом площ фігур в TS-координатах. Наприклад, найвища температура робочого тіла 3’ дещо зменшується до 3”, тоді кількість підведеної теплоти . Кількість відведеної теплоти стає дещо меншою .

Середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу підраховують за такими загальними формулами:

Цикл поршневого ДВЗ з підведенням теплоти при . Цикл Дизеля (компресорного дизельного двигуна)

Принципова схема та індикаторна діаграма

Ідея циклу двигуна Дизеля полягає в роздільному стиску повітря і палива, що сприяє зростанню ступеня стиску , а отже, збільшенню термічного ККД і підвищенню ефективності двигуна.

1— циліндр; 2— поршень; 3— впускний клапан; 4— випускний клапан; 5— форсунка; 6— канал підведення палива до форсунки; 7— канал підведення до форсунки стиснутого повітря від компресора.

в-1—ізобарний впуск по-вітря через впускний клапан 3 при русі поршня 2 із ВМТ до НМТ; 1-2—політропний стиск по-вітря до температури, біль-шої за температуру само-займання палива;

2-3—ізобарне повільне утворення паливно-повітряної суміші та її згоряння при подачі попередньо стиснутого компресором повітря, яке розпилює паливо. В точці 2–робоче тіло повітря, в точці 3–продукти згоряння (змінились фізико-хімічні властивості робочого тіла);

3-4—продовження робочого ходу, політропне розширення робочого тіла;

4-5—ізохорне відведення теплоти з продуктами згоряння через випускний клапан 4;

5-а—повне очищення циліндра від продуктів згоряння через клапан 4 при русі поршня із НМТ до ВМТ;

а-в—ізохорне закриття клапана 4 і відкриття клапана 3.

Аналіз циклу в РV-і TS-діаграмах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла; 2-3—ізобарне підведення теплоти ; 3-4—адіабатне розширення робочого тіла; 4-1—ізохорне відведення теплоти .

Цикл характеризують наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску:

.

2. Ступінь попереднього розширення:

.

3. Ступінь адіабатного розширення:

.

Термічний ККД підраховується наступним рівняння:

де .

З урахуванням параметрів циклу , а також рівнянь 1-2 і 3-4 адіабатного процесу, отримаємо вираз для термічного ККД в остаточному вигляді:

,

де показник адіабати робочого тіла, який характеризує параметри робочого тіла.

Аналогічно, як і при аналізі циклу поршневого ДВЗ з підведенням теплоти при сталому об’ємі, можна обчислити за допомогою площ фігур в TS-координатах, а також підрахувати зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за цикл з допомогою площ фігур у РV-координатах.

Існують наступні методи підвищення : збільшення кількості теплоти без зміни ; зменшення без зміни ; одночасне збільшення і зменшення .

При термодинамічному аналізі обчислюється середній індикаторний тиск робочого тіла за цикл і зовнішня корисна робота, виконана двигуном за цикл за наступними формулами:

За допомогою РV- і TS-координат можна порівняти цикли поршневих ДВЗ з підведенням теплоти при і для однакових вхідних даних. Наприклад, коли температури в точці 2 для двох циклів однакові, або коли температури в точці 3 для двох циклів однакові.

Цикл поршневого ДВЗ із змішаним підведенням теплоти (цикл Трінклера)

Принципова схема та індикаторна діаграма.

1

У 1904р. російський вчений Густав Васильович Трінклер запропонував цикл ДВЗ із механічним способом подачі палива у передкамеру 5 за допомогою спеціального поршенька 8. Це дало змогу позбавитись громіздкого компресора і додатково покращити показники циклу.

Проведені у німецькому місті Ганновер випробування, за участі професора Майера, продемонстрували специфічні особливості перебігу циклу, відмінні від вищевказаних циклів.

1— циліндр; 2— поршень; 3— впускний клапан; 4— випускний клапан; 5— передкамера; 6— з’єднувальний канал; 7— сопло Лаваля (розпилювач); 8— поршень подачі палива; 9—канал підведення палива.

а-1—ізобарне розширення повітря (заповнення через відкритий клапан 3);

1-2—політропний стиск повітря до температури, що перевищуює температуру самозаймання палива;

2-3—ізохорне підведення частини теплоти , що відповідає інтенсивному змішуванню і частковому миттєвому згорянню палива у передкамері 5;

3-4—ізобарне підведення решти теплоти , що відповідає згорянню паливно-повітряної суміші в камері згоряння на початку робочого ходу, при русі поршня із ВМТ до НМТ. В точці 2 робоче тіло—повітря; в точці 3—суміш палива, повітря і продуктів згоряння; в точці 4—продукти згоряння;  

4-5—політропне розширення продуктів згоряння або продовження робочого ходу;

5-6—ізохорне відведення теплоти з продуктами згоряння через клапан 4.

6-в—повне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня із НМТ до ВМТ;

в-а—ізохорне закриття клапана 4 і відкриття клапана 3.

Термодинамічний аналіз циклу РV та TS-координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла; 2-3—підведення при ;

3-4—підведення при ; 4-5—адіабатне розширення робочого тіла;

5-1—відведення при .

Параметри циклу:

1. Ступінь адіабатного стиску:

.

1. Ступінь підвищення тиску:

.

1. Ступінь попереднього розширення:

.

1. Ступінь адіабатного розширення:

.

Термічний ККД підраховують із наступних рівнянь:

З урахуванням рівнянь параметрів циклу і 1-2 та 4-5 адіабатного процесу можна отримати вираз для термічного ККД у кінцевому вигляді:

.

зростає із збільшенням та зменшенням .

Для таких двигунів, як правило, приймається =14-22;

можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах по формулі:

Існують наступні методи підвищення : збільшення без зміни ; зменшення без зміни ; одночасне збільшення і зменшення .

Підрахувати середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за циклом можна з допомогою приведених вище відповідних рівнянь.

Доцільно порівняти цикли поршневих ДВЗ з підведенням теплоти при V=const, при P=const, та при P=const і V=const для однакових вхідних даних.

Цикли газотурбінних установок (ГТУ) і паросилових установок (ПСУ). Принцип дії ГТУ. Цикли ГТУ з ізобарним підведенням теплоти. Загальні відомості про цикли реактивних двигунів. Цикл Ренкіна і його термодинамічний аналіз.

Цикли газотурбінних установок (ГТУ)

Принципова схема і зображення циклу в РV і TS-координатах

з підведенням теплоти при P=const.

Принцип роботи ГТУ полягає у використанні в якості робочого тіла горючих газів, кінетична енергія потоку яких використовується для обертання турбіни. На теперішній момент часу переважного застосування набули так звані „багатовальні ГТУ”. Завдяки цьому, ГТУ ефективніша від поршневого ДВЗ тим, що в ній адіабатне розширення продуктів згоряння більш глибоке— до тиску оточуючого середовища.

ГТУ набули переважного застосування в авіації, де вони використовуються у двохконструктивному виконанні: турбогвинтові двигуни (ТГД), коли потужність, знята з турбіни, передається на гвинт (пропелер); газотурбінні двигуни (ГТД), коли турбіна використовується лише на привід компресора, з метою створення потужного реактивного струменя горючих газів.

Якщо порівняти ГТУ з поршневим ДВЗ (P=const), то ГТУ ефективніша, тому що відведення теплоти здійснюється по ізобарі 4-1, а отже, отримується додаткова зовнішня корисна робота, еквівалентна в PV-координатах.

1—корпус; 2—компресор низького тиску; 3—компресор високого тиску; 4—турбіна високого тиску; 5—турбіна низького тиску; 6—камера згоряння; 7—паливна форсунка; 8—електрогенератор.

Ефективність ГТУ визначається термічним ККД, що підраховується за загальною формулою:

де кількість теплоти, що відводиться з відпрацьованими газами в оточуюче середовище при атмосферному тиску, Дж/кг; кількість теплоти, що підводиться до ГТУ у процесі згоряння в камері згоряння паливно-повітряної суміші, Дж/кг.

ГТУ з підведенням теплоти при сталому об’ємі відрізняється від ГТУ з підведенням теплоти при P=const розміщенням в камері згоряння електричної свічки.

Дата добавления: 2014-11-25