12-13 (1013744), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Этот цикл неполного расширения (Р_b>Р_а) состоит из двух изохорных и двух адиабатных процессов:

где ac – сжатие ТРТ по адиабате;

cz – подвод теплоты q₁ к ТРТ по изохоре;

zb – расширение ТРТ по адиабате;

ba – отвод теплоты q₂ в холодильник от ТРТ по изохоре.

После прохождения этого цикла ТРТ возвращается в начальное состояние. В результате этого цикла совершается положительная результатирующая работа ( ), равная площадь aczba, которая передается на вал двигателя. В T-s координатах цикла Отто имеет вид:

Основные характеристики (параметры) цикла Отто:

- степень сжатия: , где v_a – полный объем цилиндра (в начале процесса сжатия), v_c – объем камеры сгорания (в конце процесса сжатия);

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты (при горении топливо-воздушной смеси): , где P_z – давление ТРТ в конце подвода теплоты q₁ , P_c – давление ТРТ в начале подвода теплоты q₁ . Параметрами цикла называются величины, которые полностью определяют цикл. Их число равно числу процессов в цикле без двух. Термический кпд цикла Отто:

, где и . После подстановки q₁ и q₂ в выражение для имеем:

.

После подстановки в эту формулу величин: (для адиабаты ac) и учитывая, что (для изохоры c-z) и что , окончательно имеем:

, т.е. .

С ростом степени сжатия увеличивается максимальная температура в системе Т₁ и в соответствии со 2-м законом термодинамики увеличивается термический кпд. С ростом показателя адиабаты к термический кпд увеличивается из-за влияния рода ТРТ, т.е. теплоемкости идеального газа.

Недостатком цикла Отто является невозможность применения высоких степеней сжатия. Обычно применяются степени сжатия в диапазоне: , что определяется температурой воспламенения топлива Т_топ, которую не может превышать температура в конце процесса сжатия Т_с из-за опасности взрывного самовозгорания топлива, т.е. Т_с<Т_топ и . Чем выше октановое число бензина, тем до больших степеней сжатия можно сжать топливо-воздушную смесь (без взрыва).

13.3.2. Цикл Дизеля

Поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с внутренним смесеобразованием был создан в 1897 году немецким инженером Р.Дизелем (1858-1913). В двигателях Дизеля распыление жидкого топлива в цилиндре двигателя производится воздухом высокого давления от специального компрессора из форсунки. При этом давление в конце процесса сжатия может составлять порядка р_с=32-36 атм ( ).

Идеальный цикл Дизеля состоит из изобарного, двух адиабатных и изохорного процессов и является прямым газовым изобарным циклом неполного расширения, который изображен в p-v и Т-s координатах на следующих рисунках

где ac – адиабатное сжатие чистого воздуха;

cz – изобарный подвод теплоты q₁;

zb – адиабатное расширение ТРТ;

ba – изохорный отвод теплоты q₂ в холодильник.

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия ;

- степень предварительного изобарного расширения в процессе подвода теплоты q₁.

Термический кпд цикла Дизеля:

,

где (адиабата ac);

(изобара c-z) – закон Гей-Люссака;

, - (изохора ba и адиабаты zb и ca).

Окончательно имеем:

.

С ростом степени сжатия термический кпд цикла Дизеля растет, а с увеличением степени предварительного изобарного расширения цикла Дизеля уменьшается из-за роста температуры ТРТ при выхлопе (из-за роста теплоты q₂).

В двигателе Дизеля сжимается чистой воздух и можно применить большие степени сжатия по сравнению со степенью сжатия в двигателе, работающем по циклу Отто.

13.3.3. Цикл Тринклера

Цикл Тринклера – это цикл безкомпрессорных дизелей (смешанный цикл), состоящий из изобарного, двух изохорных и двух адиабатных процессов, как показано на следующих рисунках в p-v и T-s координатах:

где ac – адиабатное сжатие чистого воздуха; су – подвод теплоты q_1v (подача топлива в форкамеру и его сгорание при v=const); yz – подвод теплоты q_1p (подача топлива и его сгорание в цилиндре двигателя при p=const); zb - адиабатное расширение продуктов сгорания; ba – отвод теплоты q₂ (выхлоп продуктов сгорания по изохоре).

Основные параметры цикла:

- степень сжатия: ;

- степень предварительного (изобарного) расширения: ;

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре: .Термический кпд цикла Тринклера:

.

Термический кпд растет с увеличением степени сжатия и степени повышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре и уменьшается с ростом степени предварительного (изобарного) расширения .

Для рассмотренных циклов Отто, Дизеля и Тринклера . Если , то получим цикл Дизеля. Если , то получим цикл Отто. Таким образом, цикл Тринклера можно рассматривать как обобщающий цикл.

Циклы Дизеля и Тринклера имеют более высокие термические кпд, чем цикл Отто, из-за возможности реализовать большие степени сжатия. Преимуществом этих циклов над циклом Отто является также возможность использования более дешевого топлива.

Общее у циклов Отто и Дизеля – адиабатные процессы сжатия и расширения, что позволяет построить методы их сравнения. Сравним эти циклы графическим методом – методом сравнения площадей при помощи Т-s диаграммы.

1. При одинаковых , одинаковых и одинаковом начальном состоянии РТ (точки а и А₁) , т.к. на величину пл.NbB₁FN

Таким образом, изохорный цикл (цикл Отто) при этих условиях сравнения является более экономичным, чем изобарный цикл (цикл Дизеля).

1. При одинаковых , одинаковых максимальных давлениях и одинаковом начальном состоянии РТ (точки а и А₁) , т.к. на величину пл.NB₁bFN.

Следовательно, при этих условиях сравнения циклов изобарный цикл (цикл Дизеля) является более экономичным циклом, чем изохорный цикл (цикл Отто).

13.4. Газовые циклы реактивных двигателей и газотурбинных установок

Недостатки поршневых двигателей внутреннего сгорания: ограниченная мощность из-за периодичности их действия и невозможность полного адиабатного расширения ТРТ до давления окружающей среды, не позволили их использовать при больших скоростях полета. Поэтому при больших дозвуковых и при сверхзвуковых скоростях полета на летательных аппаратах устанавливаются различные типы реактивных двигателей.

Реактивные двигатели и газотурбинные установки обладают тем преимуществом по сравнению с поршневыми ДВС, что это двигатели непрерывного действия и могут реализовать любые потребные мощности. Кроме того, реактивные двигатели и газотурбинные установки позволяют осуществить более экономичные термодинамические циклы полного расширения ТРТ до давления окружающей среды.

13.4.1. Цикл Брайтона

Цикл Брайтона – это прямой газовый изобарный цикл полного расширения, состоящий из двух адиабатных и двух изобарных процессов:

где ac – адиабатное сжатие в диффузоре и компрессоре реактивного двигателя (ТРД);

cz – изобарный подвод теплоты q₁ (в камеру сгорания ТРД);

zb – адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине и в реактивном сопле двигателя;

ba – изобарный охлаждение выпускных газов в окружающей среде.

Совокупность этих процессов образует цикл с положительной результирующей работой .

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия , или степень повышения давления в процессе сжатия ;

- степень предварительного изобарного расширения ТРТ . Тогда термический кпд цикла Брайтона будет равен:

,

где (адиабата a-c);

(изобара cz) – закон Гей-Люссака;

, - (изохора ba и адиабаты zb и ac).

Тогда после подстановки этих значений в выражение для термического кпд получим:

.

С ростом степени сжатия (или степени повышения давления П) термический кпд цикла Брайтона возрастает за счет более глубокого расширения газа, т.к. снижается температура Т_b и теплота q₂, отданная холодильнику. Результирующая работа цикла Брайтона больше работы цикла неполного расширения (цикла Дизеля) на величину при одинаковых степенях сжатия ТРТ и подведенной теплоты q₁, что позволяет осуществить более экономичный термодинамический цикл полного расширения.

13.4.2. Цикл Гемфри

Цикл Гемфри – это прямой газовый изохорный цикл полного расширения. Этот цикл был реализован в пульсирующем прямоточном воздушно-реактивном двигателе, установленном на немецкой крылатой ракете Фау-1. В p-v и T-s координатах этот цикл представлен на следующих рисунках:

где ac –сжатие воздуха по адиабате в диффузоре или компрессоре; cz –подвод теплоты q₁ по изохоре; zb – адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине или в реактивном сопле; ba – изобарное охлаждение выхлопных газов в окружающей среде.

Основные характеристики (параметры) цикла:

- степень сжатия , или степень повышения давления в процессе сжатия П=р_с/р_а;

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты q₁ по изохоре .

Характеристики

Список файлов книги