Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 28
Текст из файла (страница 28)
1 — работа сжатия газа в 1-й ступени; пл. П вЂ” работа сжатия газа во 2-й ступени; пл. 1П вЂ” работа, сэкономленная при охлаждении газа в холодильнике. 142 При расчете многоступенчатого компрессора важно решить вопрос о распределении общего перепада давлений между ступенями. В качестве критерия целесообразно выбрать минимальную работу, затрачиваемую на привод компрессора. Если предположить, что при политропном процессе сжатия газа в каждой ступени показатель политропы будет одинаковым и температура газа в начале каждого сжатия равна первоначальной (Т,=тт), то работа двухступенчатого компрессора определяется по формуле 1„=1„,+г„и= " ~т, [( — ")гл "' — 1~+ + — "~ Кт, [( Р' )Гл "'" — 1) = — ", Кт, [( Р* )'" '""+ +~ ~' ) — 21, (10В) где 1ю и 1,и — работа сжатия в 1-й и 2-й ступенях. Для гп ступе- ней сжатия г! ~и 1„= — КТ,Я л, — лт л лги <л — ИМ л — 1 ! ! (10.9) где л;=р;+1/р; — степень повышения давления в 1-й ступени.
Оптимальное значение и; для ступени компрессора находим по методу Лагранжа из системы уравнений дл1 ' для дл (10.10) при условии п1лтп,... л„= л = сопз1. Из решения системы этих уравнений находим я,=л,=л,=... =~я. (10.11) Минимальная работа гп-ступенчатого компрессора, соответствующая оптимальным степеням повышения давления, ю.= " лг, ~гв~ — 1] . л — ! (10.12) На рис.
10.4, а, б изображены Тз-диаграммы процессов адиабатного и политрапного сжатия газа в двухступенчатом компрессоре. Линии В-С и Е-Р изображают процессы сжатия, линия С-Е соответствует изобарному отводу теплоты в холодильник. Плопгади ВСсЬВ и Ер1еЕ на рис. 10.4, б изображают теплоту, отведенную от газа при политропном сжатии в отдельных цилиндрах из компрессора. Так как полнтропы эквнднстантны (дз)дТ)я=1г)ещ прн 2'=сопз1), то площади ВСсЬВ н Ег1еЕ равны между собой.
Следовательно, количество теплоты, отводимое от газа в каждом цилиндре, будет одинаковым для обеих ступеней. а1 У т г 5 Рнс. 10.4 5 10.4. ДЕТАНДЕРЫ Машины, в которых происходит расширение рабочих тел, для получения работы или охлаждения газов в холодильных установках называются детанде. рами. К таким машинам относятся также пнеамодвигатели, паровые машины, паровые в газовые турбины (осевые нли центростремительные). Рабочие усилия в турбнне возникают в связи с изменением кннетнческой энергии. Преобразование кинетической энергии в турбине происходит в каналах неподвижного соплового аппарата н на рабочих лопатках, расположенных На вращающемся диске турбины.
(В поршневой машине рабочее усилие создается давлением неподвижной массы газа нлн лара.) Термодинамические основы расчета всех детандеров одни н те же, а цель расчета — определить работу, которая может быть по- лучена от некоторого количества а) В газа прн заданных начальных н Р Р дг конечных параметрах рабочего а 1 а=к тела. Работа детандера зависит, как видно нз рнс.
10.5, от процесса расширения газа. На рнс. 10.5, ел у г' а-1 — процесс наполнения", 1-2'— процесс расширения газа; 2-Ь— д' процесс выталкивания. СовокупРис. !05 ность рабочих процессов в детан- дере, как н в компрессоре, не представляет собой замкнутый термодннамнческнй процесс — цикл. Наиболее выгодным с точки зрения получения работы будет нзотермический процесс 1-2'. Однако нзотермнческнй процесс расшнрення трудно осуществить, н процессы в детандерах близки к аднабатным. 144 Определяя работу детандера (техническую работу машины), хак зто было сделано для случая аднабатного расширения (3.59), вайлем для случая адиабатного расширения 1 кг газа (рис.
10.5, а) /д дд — — — ~ Ф дР = Й, — Ьт = ср (Т, — Тт). Р (10.13) 8 то же время, полагая, что в адиабатном процессе ро"=реп~4, и считая, что в детандере дР(0, найдем лз Р. /дзл — ) обР= РР. ) па — РР! Р 1-Ф 1-ь Рх =Рь (а — 1)/а (10.14) Работа детандера при изотермическом процессе расширения, Р з Е „,= — ~ едр= — КТ ( — ~=КТ,!п ~' . (10.15) 3 Р Рт 1 Реализовать .изотермнческий процесс расширения в детандере трудно, но можно приблизиться к нему, если в процессе многоступенчатого расширения от р~ до Рз подавать теплоту между сту.- пенями (перегрев пара в пароперегревателе, установка промежуточной камеры сгорания между ступенями газовой турбины).
Мощность детандера (кВт), т. е. количество работы, снимаемой с вала детандера в единицу времени, Ф, = О/,/1000, (10.16) где 6 — расход газа через детандер, кг/с. Мощность детандера зависит от конструктивных особенностей детандера, выбора рабочего тела, расхода через него. Наибольшие Расходы допускают турбины; они способны развивать большие мощности при малых размерах. Совершенство работы детандера может быть оценено значением относительного кпд: (10.17) где й/,— действительная мощность, снимаемая с вала детандера. Дла современных детандеров (турбин) т1д — — 0,82...0,85.
И компрессоры, и детандеры являются основными агрегатами современных газовых теплосиловых установок. ГЛАВА 11 ЦИКЛЫ ПОРШИЕВЪ|Х ДВИГАТЕЛЕЙ Назначение всякого теплового двигателя состоит в преобразо ванин теплоты в работу. Необходимая для перевода в работу теп лота получается при сгорании жидких, твердых или газообразны1 топлив. Топливо может сжигаться вне тепловой машины — это та1 называемые двигатели внешнего сгорания. Двигатели, в которы1 процесс сгорания осуществляется в рабочем пространстве машины, называют двигателями внутреннего сгорания (ДВС). а~ е э д) е) гу д -д . г -~, г l вмт нмт Рис. 11.! Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем (рис.
11.1). Горючая смесь (смесь топлива с воздухом) сгорает в цилиндре 1 с повышением температуры и давления. Продукты сгорания, воздействуя на поршень 2, перемещают его из крайнего верхнего положения (верхняя мерт. вая точка — ВМТ) в крайнее нижнее (нижняя мертвая точка— НМТ) (рис. 11.1, а). Процессы сгорания и расширения дают в совокупности рабочий ход (такт поршня). Чтобы можно было повторить эти основные процессы в двигателе, отработавшие продукты сгорания нужно удалить из цилиндра и наполнить его свежей порцией горючей смеси, Это происходит за два (такта) хода поршня: прямой ходвыталкивание продуктов сгорания (рис. 11.1, б) и обратный ход всасывание воздуха или горючей смеси (рис.
11.1, в). Процессы выталкивания и всасывания осуществляются при соответствую щем открытии выхлопного 5 и всасывающего 8 клапанов, номе щенных в головке цилиндра 4. 146 Во время четвертого хода поршня производится сжатие воздуха или горючей смеси 1рис. 11.1,г), и затем все процессы повторяются. Таким образом, рабочий процесс периодичен и каждый пернод складывается из четырех ходов поршня, производимых за два полных оборота коленчатого вала двигателя. Двигатели, работающие таким образом, называют четырсхтакгными.
Двигатели, у которых процесс совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называются двухтактными. У них ход выталкивания и всасывания заменяется продувкой цилиндра, во время которой удаляются продукты сгорания и цилиндр заполняется воздухом или горючей смесью.
Рис. 1! 2 Рис. 11.3 Рабочие процессы в двигателях исследуются с помощью особых приборов — и н д и к а т о р о в. Они позволяют получить и их н к а т о р н ы е д и а г р а м м ы, отображающяе изменение давления в цилиндре двигателя. На индикаторных диаграммах по осн ординат откладываются абсолютные давления внутри цилиндра, а по оси абсцисс — соответствующие этому давлению изменения объема нли перемещения поршня (рис.
11.2). На рисунке А-А— линия атмосферного давления. Индикаторная диаграмма дает возможность исследовать северц1енство рабочих процессов в двигателе н определить индикаторные параметры двигателя: работу, кпд, мощность, удельный расход топлива. На рис.
11.3 представлена теоретическая индикаторная диаграмма, на которой ливией Ь-а изображен процесс всасывання, линией а-с — процесс сжатия; с-г — процесс горения прн постоянном объеме г'-г — процесс горения прн постоянном давлении, г-е — процесс расширения продуктов сгорания, ли«ней е-а-Ь вЂ” процесс выхлопа продуктов сгорания в атмосферу. На теоретической индикаторной диаграмме процессы сжатия и расширения — это политропные процессы с показателями поли- троп п,=1,3 ...1,38 и и,='1,2...1,32, зависящими от теплообмена "ежду рабочим телом и стенками двигателя. Процессы всасыва- 147 ния Ь-а и выталкивания а-Ь не являются термодинамическими так как параметры рабочего тела при этом не изменяются.
Площадь под линией всасывания представляет собой работу всасывания Е„, а площадь под линией а-Ь вЂ” работу выталкивания Таыт Эти процессы направлены в разные стороны и сумма работ (~-аз+~а т) равна нулю. Однако индикаторная диаграмма не яв ляется круговым обратимым термодинамическим процессом— циклом и не дает возможности сравнительно просто определить изменение состояния рабочего тела в отдельных термодинамических процессах, из которых состоит цикл.
В основе работы двигателей внутреннего сгорания лежат идеальные круговые процессы преобразования теплоты в механнче. скую работу, т. е, идеальные циклы. Изучение их необходимо для оценки совершенства действительных тепловых процессов, происходящих в двигателях, а также факторов, влияющих на экономичность двигателя н развиваемую им работу. При термодинамическом исследовании циклов полагают, что: циклы замкнуты (в действительности же продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело); рабочее тело в цикле — идеальный газ с постоянной теплоем.
костью; процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа,— обратимый процесс подвода теплоты д1 извне; процесс уноса теплоты, содержащейся в продуктах сгорания,— обратимый процесс отвода теплоты дз от рабочего тела; механические потери, т. е. потери на трение и потери теплоты в окружающую среду (передача теплоты от стенок и укос теплоты охлаждающей водой), отсутствуют. При таких предпосылках можно считать, что двигатели внутреннего сгорания работают по обратимым термодинамическим циклам. Термодинамическое исследование дает возможность определить принципы работы двигателей, параметры газа в характерных точках цикла, термический кпд и работу цикла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
