Основы термодинамики и кинетики химических реакций Иноземцев Н.В. (1013665), страница 37
Текст из файла (страница 37)
е. в конце сгорания; в этом случае о=Е Для всех остальных моментов процесса ~Фф5. Козфициент использования тепла по ходу сгорания, вообще говоря, может не оставаться постоянным. Однако, изменения его не должны быть большими; значения этого коэфициента колеблются в ограниченных пределах, определяющихся тепло- передачей и диссоциацией Действительно, если обратиться к опытным данным, то легко показать, что это утверждение в достаточной степени обосновано. х, В табл. 20 приводятся значения коэфициента о= †', полученх' ные иа основании экспериментального исследования рабочего процесса авиадизеля ЮМО-4.
Как видим, для всех режимов двигателя величина о колеблется в небольших пределах. Та ба и ца 20 50 40 30 15 10 0,88 0,88 0,887 0,89 0,9 1700 0,95 0,95 0,883 0,89 0,935 1620 0,92 0,95 0,95 0,883 0,907 0,917 0,937 1500 0,95 0,883 0,908 0,93 1400 0,94 0,95 Приняв для всего процесса сгорания среднее значение коэфициента использования тепла 5, имеем СООтнОШЕНИЕ: Фх,=фах, подставляя которое в уравнение (299), получаем для скорости 239 нарастания давления в действительной индикаторной диаграмме следующее уравнение: ар 854 (й — 1) В.о„) Ых л К„~ — — сов+ ч — з~пЪ) 2 1 р(з1п ~р+ — з1п 2 р) я (300) +1 Х вЂ” соз р+ — з1п'а в — 1 2 Полученное уравнение и может служить основанием для построения действительной индикаторной диаграммы двигателя.
Для проверки полученных кинетических соотношений процесса сгорания и для оценки недостающих в расчете физико-химических параметров обратимся к опытным данным. Впервые физико-химические соотношения при исследовании процесса сгорания были применены К. Нейманом в опытах с тихоходным дизелем завода Дейтц. Пользуясь основным уравнением кинетики химических реакций и соотношениями концентраций топлива и кислорода в зависимости от подачи топлива и сгоревшей части последнего, Нейман, на основании экспериментальных данных для процесса сгорания в указанном дизеле, без учета диссоцнации значения основных физико-химических параметров, получил: константы скорости к, константы по столк~~с новениям к„ энергии активации Я, скорости сгорания в и изменения всех этих величин по углу поворота кривошипа.
Данные Неймана представляют собой первые цифровые значения физико-химических параметров в процессе сгорания топлива в цилиндре тихоходного дизеля. Все эти данные изображены на диаграммах, представленных на фиг. 40 и 41. Подробные физико-химические исследования рабочего процесса авиационного дизеля ЮМО-4 были произведены автором настоящего курса. Исследования проводились по опытным данным ЦИАМа для четырех точек винтовой характеристики и трех точек нагрузочной характеристики.
На фиг. 42 дается диаграмма изменения х;=Д~). Величины х; по существу представляют собой коэфициенты выделения тепла 1 для различных моментов процесса. Поэтому кривые х,.=~(р) могут рассматриваться как кривые изменения коэфицнента выделения тепла по углу р. На фиг. 43 даны кривые х=у(в), представляющие собой закон сгорания топлива, а на фнг. 44 — относительные скорости дх сгорания —. В соответствии с характером кривых х=у(~) 240 фнг. 45 даны 0,20 1О 1,О О,зб о,в О,!2 0,6 о,ов О,4 О,О4 0,2 о о о 20 -10 0 10 20 30 40 60 бо 0,01 0,02 0,03 0,04 Фиг.
40 Рамг 60 Табе 1ВОО Га 1О' 1О 1ВОО бо 1400 гаОО зо 1,983 Г 0,4 1ООО 2 0,2 1О воо '9 о -4О 6 66 1б 26 36 46 бб Фиг. 41 16 Н. В. Иноземцев. 12Х величины — имеют максимум при р — 5 — 7'. На ф~ ~ — Всмрыск — ~ Сгорамие — 4 'о Св С02 ~дк д а'с кривые действительной скорости сгорания — =~(р). 1О' К асв ОГ столкновениям имеют значительно меньшие значения н соответствуют величинам к, чистых гетерогенных реакций. Полученное совпадение опытных величин к, с расчетными свидетельствует о достаточной достоверности методов расчета, предложенных выше для определения констант скорости ао ао 9 реакции сгорания в цилин- О,З 0,4 о,з о,г 'од 0 1О 20 Зо 40 дре дизеля.
Изменение констант скорости к по углу т~ весьма близко к экспоненциальному закону. Диаграмма показывает, что точки соответствующие значениям !и к хорошо укладываются на В прямой линии с уравнениемл!дк=!яА+ ~ 303т, что н приводит к экспоненциальному закону к=А евт. Следует отметить, что подобное же изменение к=Д(т) получено и в опытах К. Неймана (фиг. 40 и 41). На фиг. 48 представлены:изменения энергий активации по углу ~2. Как видно из диаграммы, в первые периоды сгорания энергия активации имеет незначительную величину и колеблется в пределах 5500-6500 кал./моль.
В дальнейшем () увеличивается и в конце процесса достигает значений, близких к Я,=50000 — 55000 кал./моль. На фиг. 49 представлено изменение энергии активации в зависимости от относительных величин т/т, (периоды сгора- 242 а'с По полученным значениям х и — могут быть подсчитаны г(г концентрации топлива и кислорода -Сл и Со и определены константы к и и, (фиг. 46 и 47). Диаграмма изменения к,=Др) дает резкое увеличение констант по столкновениям в конце процесса; при этом абсолютк. ные значения к, для последних моментов сгорания приближаются к значениям: к,=10" — 10", что соответствует константам по столкновениям газовых реакций.
В первые моменты о,в процесса константы по ния), с учетом продолжительности сгорания для каждого режима двигателя. Пунктирными линиями очерчен получающийся разброс точек, сплошная линия представляет среднее изменение Я„=~(4 з,). Диаграмма показывает, что по ходу сгорания для каждого режима двигателя энергия, активации изменяется по одному и тому же закону и в соответствующие периоды сгорания имеет примерно одинаковые значения.
Так как полученный результат следует признать соответствующим действитель- т а ности, то он является дока- "='4аа ! зательством правильности и а з 1 "='ваа достаточной достоверности л=1азо определения энергии актива- сэ а=|гав ции реакции сгорания топ- ! лива. ц7 Полученный характер из- ! менения энергии активации 'р= ззд-'-', ' ! свидетельствует о последо- :Р 4З,В' вательности сгорания раз- ва личных фракций топлива. Считаясь со сложным характером реакции, можно предположить, что в первые периоды сгорания в реак- 1з~ цию вступают более легкие соединения углеводородов, ! обладающие большой реакциоиноя способностью и требующие небольших зна- 0 30 20 ЗО 40 40 40 ГГ чений энергии актввации. Во второй половине про- Фаг. 43 цесса и в особенности в конце сгорания химическому преобразованию подвергаются при своем сгорании более тяжелые активации. Весьма важным фактором рабочего процесса является продолжительность сгорания топлива т,.
Расчет и диаграмма изменения величин х по углу ч (фиг. 45) показывают, что с уменьшением числа оборотов двигателя по винтовой характеристике продолжительность сгорания уменьшается как по углу, так и по времени. При этом продолжительность сгорания для нормального режима двигателя Ф, 55'. В опытах Неймана с пред- камерным двигателем дизеля в, — 65'. Примерно те же цифры дл- с †. ~лу чены в исследованиях других авторов. Поэтому для м процессом сгоможно оценивать 0 Ю 20 ЗО 40 60 60 т' Фиг. 44 ходных дизелей ниже приводятся данные расчета и построения индикаторной диаграммы авиационного йг 2,6 дизеля ЮМ0-4.
На фиг. 50 даются расчетные значения констант- скорости реакции — к в начале и в конце процесса и изменение величины и по углу поворота кривошипа. Расчет величин к произведен по формулам (289), (291) и (292). Полученный расчетом по формуле (283) закон сгорания х=)(4~) и изменение ведх о 60 гр личин —,по которым 11Ф легко подсчита ть дей- 2,О 1,6 1,2 0,6 0,4 1О 20 ЗО 4 Фиг.
45 244 быстроходных дизелей с удовлетворительны рания продолжительность процесса сгорания в пределах Ф,=55 — 70О. Таким образом, на основании проведенных исследований для быстроход. ных дизелей могут быть ~~ х выбраны такие параметры рабочего процесса, как энергия активации, про- О от должительность сгорания и изменение констант скорости реакции по углу поворота кривошипа, т. е. поз к = у'(р). Наличие всех этих дан- 0,04 ных позволяет применить к расчету рабочего про- о,оз цесса дизеля фнзико-химические соотношения, 0,02 разобранные выше, и по- о,о~ строить индикаторную диаграмму двигателя с учетом динамики процесса сгорания.
В качестве примера такого физико-химического расчета быстро- (с ствительные скорости сгорания —, приводится на фиг. 51. Для Ж сравнения на этой же диаграмме пунктирными линиями показаны изменения действительных 1уд' 47х значений х и, полученных 467 на основании опытов. На фиг. 52 6 17Х представлены диаграмма 1й7 л =1700 — 7 (у), построенная по формуле 4 и 1620 (300), и интегральная кривая л =1600 'йьР, с помощью которой нахои =1400 дятся действительные давления газов для каждого угла пово- 3 рота кривошипа и тем самым определяется вид индикаторной диаграммы на участке сгорания.
о 1о 2о зо 40 60 т Построенная указанным спосоФиг. 46 бом индикаторная диаграмма— теоретическая и действительная †показа на фиг. 53. На этой же фигуре пунктирной линией дана действительная индикаторная диаграмма, полученная непосредственным индицированием. Как видим, расчет дает 7уКа очень хорошие результаты. На фиг. 54 представлена и расчетная диаграмма на уча- л=1400 стке сгорания дизеля АН-1, ю лн1600 построенная по тому же ме- л=1620 тОду. СОПОСтаВЛЕНИЕ раСЧЕт- В и 1700 ной диаграммы с действительной (пунктирная линия), в как видим, хотя и не дает хорошего совпадения, все же правильно отображает динамику процесса сгорания. 6 Более резкое повышение давления в действительной диаграмме этого двигателя следует объяснить неупра- 4 вляемым детонационным взрывом за счет большого количе- 0 Ю 20 30 40 60 'Р ства топлива (до 54%), впрыскиваемого в цилиндр до на- Фиг.
47 чала сгорания. В расчетной диаграмме это обстоятельство не учитывалось, и поэтому нарастание давления по углу получилось меньшим, чем в действительности. 50 юзо, зо ю 0 1О 20 30 40 50 Ч1 Фиг. 49 Фиг. 48 ьо ю' 0,9 о,в 0,7 о.е о,ов 0,5 о,в о,з ол О Ю 20 ЗО аО 50 60 ( Фиг. 51 248 з О Ю 20 ЗО вО ВО ЕО Фиг. 50 о,ов ! о,оз 0,02 юв 7/ о о. аи ов оа ои ов ог ав ов ив~~ Ф ~т 5 ЕбР о Рат зо (р ео ю зо о 2О 1а -зо — ао — 1о О Ю 20 30 40 бО 60 фиг.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
