Теплотехника Учебн.для вузов. Под ред. А.П.Баскакова. М. (1013707), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Поскольку горение - . нераановесный процесс, он связан с потерей работоспособности тем большей, чем ниже температура Т~ получаемых продуктов сгорания. Действительно, из формулы (5.31) видно, что эксергия рабочего тела в потоке е возрастает с увеличением 6~ = сг Ть все более приближаясь помере увеличения Т, к теплоте реакции. В современных паровых кот- лах, например, где теоретическая температура горения достигает 2000 'С и более, потери эксергии при горении составляют 20 — 30 "гв Выше уже отмечалось, что основиымн причинами, снижающими эффективность тепловых процессов. являются тре. ние и теплаобмен при конечной разности температур.
Вредное нлияние трения не нуждается в пояснениях Чтобы рельефнее представить вредное влияние неравновесного теплообмена, а заодно продемонстрировать разницу между методами балансов эксергии и теплоты, рассмозрим передачу теплоты от одного теплоносителя к другому, например, от пранук.
тав сгорания топлива к воде и пару в паровом котле. Продукты сгорания, охлаждаясь в изобарном процессе 1-2 (рис 6.!), от. дают теплоту 9„ = тг!й>, — й>,), которая затрачивается на нагрев воды (линия 5-4), ее испарение (линия 4-5) и перегрев пара до нужной температуры (линия 5-6). Если не учитывать теплопотери в окружающую среду, то количество теплоты, отданной газами, будет равно количеству теплоты (2. = Л (йл — й>), воспринятой водой и паром: (4, = (4„ нли т, (й(,— йг,)=В (йл — й>). Здесь т, и В .- массовые расходы газов и пара, в й>„, йл — удельные энтальпии соответстиующих веществ в соответствующих состояниях. Чтобы изобразить описанные процессы в Т, 5-диаграмме водяного пара в одном масштабе, отложенные на цей значения энтропии воды и пара отнесеиь( к ! кг, а энтропии греющих газов — к их количеству, приходящемуся на ! кг пара, т.
е. 5 > = 5 „т,у Г), з г = з г, т „7 О, где 5,-- удельная энтропия газа. Для удобства сравнении принято также общее начало отсчета энтропии, т. е. зг, т,/)> = з,. В таком случае площадь 1-1'-2'-2. пред. ставляюшая собой количество отданной ~азам теплоты, и площадь 2'-5-4-5-6-6', эквивалентная количеству теплоты, воспринятой паром, равны друг другу.
Поток газа входит с зксергией е! =)6> — йв — Та ((о — ль) ~ т 70, и выходит с эксергией е. =(5.>, — йвл— — Тч (з. — зв ) ~ пг,(0, теряя на кнг(а- 2' 1' 6 5 Рис 6.1, К расчету па Г, х диаграмме зксгргетических потерь при и(равновесном теплааал>еие грамм пара эксергию е, — сг= = (йп — йгйг — )л(5~ — зг )) т,г>() Соозвсзствснно увеличение эксергии килограмма пара ел — д>=- (й>,— йг — )иХ Х(гм — зг)) ((атерн эксергии при передаче теплоты ((е> — е>) — (ел — ег) ) составят ул(ж,— 5>,т„'О)=-Т>,(зл — х~). (6.2) Графически эти потери изображаются заштрихованной на рис. 6.! площадкой.
Расчеты показывают, что только изза неравновесного теплообмена потеря эксергии, т. е. работы, которую теоретически можно бь>ла бы получить, используя теплоту продуктов сгорания топлива, превышает 30 агю НИКНЫ ННГЧНН! НВЛХ ДНИ(Д ! ! ЛГИ ИНУГР!.ННГ('(> (.(НРДНИЯ Чтобы исключить эксергетические потери за счет неравновесного теплообмена с горячим источникам теплоты, целесообразно использовать в качестве рабочего тела газы, получающиеся при сгорании топлива.
Это удае~ся осун(ествить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в е(о цилиндрах. Теоретический цикл ДВС состоит из адиабатного сжатия 1-2 рабзачего >ела в цилиндре, изохорного 2-7 или изобарного 2-7 подвода теплоты, адиабатного расширения 5-4 или 7-4 и изахорнаго 37 3» Д! Р юл и) их и Рис. 6хц Циклы ДВС: е — и р, е-хеерхицехех; Л вЂ” е Т, .»-хеерлииетех, е — схема цилиндра с першием отвода теплоты 4-1 (рис 6.2) В реальных двигателях подвод теплоты осуществляется ну~ем сжигания топлива. Если пары бензина перемешаны с необходи.
мым для горения воздухом до попадания в цилиндр, смесь сгорает в цилиндре практически мгновенно, подвод теплоты оказывается близким к нзохорному. Если же в цилиндре сжимается только воздух и уже затем впрыскивается топливо, то его подачу можно отрегулировать таким образом, чтобы давление в процессе его. рания оставалось приблизительно постоянным, и условно можно говорить об изобарном подводе теплоты.
Чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгорания в ДВС осуществляют не до атмосферного давления р„а до более высокого давлении р», а затем открывают выпускной клапан и выбрасывают горячие (с температурой Т,) продукты порания в атмосферу. Избыточное давление у» — р» при этом теряется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется нэобариым отводом теплоты 4-1. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя е. Применительно к идеальному циклу (см.
рис. 6.2) е = н»/сз. (6. 3) Степень сжатия является основным параметром, определяющим термический 58 КПД цикла. Рассмотрим два цикла с одинаковымн точками 1 и 4, один из которых (1'-2'-3'-4) имеет большую степень сжатия е, чем другой (1-2-3-4). Большему значению е соответствует более высокая температура в конце сжатия 1-2. Следовательно, изохора 2'-3' рас. положена в Т, и-диаграмме выше, чем изохора 2-3. Из рнс. 6.2, б видно, что количество теплоты »)о подведенной а цикле 1-2'-3'-4 (плошадь 2'-3'-б-б), больше, чем количество теплоты, подведенной в цикле 1-2-3-4 (плошадь 2-3-5- б). Количество отведенной теплоты дх в обоих циклах одинаково (плошадь 4-5- б-!). Следовательно, термический КПД нл=-1 — ах/д, больше в цикле 1-2' 3'-4. Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания увеличивается с ростом степени сжатия е.
Нетрудно получить аналитическую зависимость П, от е, например, для цикла со сгоранием при с=сопз1. При постоянной теплоемкости ), с,(Т,— Т ) »)» се(Т,— Т ) (Т,/Т,— П Т, (Т,/Т вЂ” 1) Т, Г!ри одинаковых показателях адиабаты й процессов сжатии и расширения в соответствии с (4.18) Т,/Т„= Тх/Т, =ее Тз/Тх = Т,/Т, =." - ' Тогда для рассматриваемого цикла П, = 1 — 1/ех '. (6.4) На рис. 6.3 приведены кривые зависимости термического КПД никла со сго- »)г д 4 0 12 хд а Рнс. 6З Изме»»ение»Н ДН».
» ппднсдом тен. лоты при е=сопз1 н зннисимосзи от степени сжатия при ре»личных значения» поиззатсля адннбазы Л раннем при п=сопсИ от степени сжатия при различных показателях адиабаты. Увеличение КПД ДВС с ростом степени сжатия е обьясняется связанным с этим повышением максимальной темпе. ратуры цикла, т.
е. уменьшением потерь эксергии ат неравновесного горения. Максимальная степень сжатия в карбюраторных двигателях ограничивается самовоспламенением топливовоздушной смеси и не превышает 9--10. В дизелях, в которых поршень сжимает воздух, еяв!8, что позвалиет существенно павы- сить КПД цикла. Однако при одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты при р=сапэ1, реализуемый в дизелях, имеет меньший КПД, чем цикл с подводом теплоты при п=сопш, поскольку прн одинаковом количестве отданной холодному источнику теплоты количество подведенной при п=сопэ1 (по линии 2-3 на рис.
6.2, б) теплоты больше, чем при р= сапа( (лииия 2-7). При сгорании при р=сопэ1 максимальная температура горения, как это видно из рис. 6.2, б, оказывается меньше, чем при п=сопщ, а значит, потери эксергии от неравновесного горения выше Используя в качестве рабочего тела неразбавленные продукты сгорания (с максимальной эксергией], ДВС имеют самыи высокий из всех тепловых машин КПД. Однако инерционные силы, связанные с возвратно-поступательным движением поршня, возрастают с увеличением как размеров цилиндра, так и частоты вращения вала, что затрудняет создание ДВС большой мощности. Большим их недостатком являются и высокие требования к качеству потребляемого топлива (жидкаго нли газа).
ДВС оказываются незаменимыми на транспортных установках (прежде всего автомобили, тепловозы и небольшие самолеты) и примениются в качестве неболыпих стационарных двигателей. 6.3. цикл ГАВОтуРБиннОЙ УСТАНОВКИ В циклах ДВС рабочее тело выбра. сывается из цилиндра с температурой Т, и давлением р,, которые превышают Рис 6.4.
Схема газатурбиннай установки соответствующие параметры окружающей среды р,, Тм практически совпадающие с р,, Ть Поэтому циклам ДВС присуши потери эксергии из-за «недарасширения» газов до параметров окружающей среды. Их удается значительно сократить в циклах газотурбинных установок. Принципиальная схема газотурбинной установки (ГТУ) представлена на рис. 6.4. Воздушный компрессор К ежи. мает атмосферный воздух, повышая его давление от рс до р, и непрерывно падает его в камеру сгорания КС Туда же с пециальным иагнетателем О непрерывно подается необходимое количество жидкого или газообразного топлива.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
