Термодинамические политропные процессы с идеальными газами (1074341), страница 3

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

Текст из файла (страница 3)

Необратимый цикл КарноВ случае необратимого цикла Карно термический кпд будет меньше,чем термический кпд обратимого цикла, т.е.tк .необ  tк .обр .Действительно, для обратимого цикла tк .обр  1 ТТ2 1  хол , т.е. условия обратимости цикла: Т2=Тхол,Т1Т истТ1=Тист. В случае необратимого цикла Тист>Т1 и Тхол<Т2. Тогда имеем:Т 2 Т холTи термический кпд необратимого цикла Карно, равный 1  2 , будетT1Т 1 Т истменьше  têîáð :Т  Т tк .необр  1  2   1  хол    tк .обр .ТТ1 истТаким образом, термическийкпднеобратимогоциклаКарно,осуществляемого при конечных разностях температур (Тист-Т1) и (Т2-Тхол),всегдабудетменьшетермическогокпдобратимогоциклаКарно,осуществляемого при тех же самых температурах источника и холодильника(вторая теорема Карно). Это положение обобщается и на произвольныенеобратимые циклы.13.3.

Газовые циклы поршневых двигателейЦиклы поршневых и реактивных двигателей будем рассматривать какусловно замкнутые, идеальные, обратимые циклы., в которых рабочим теломявляется идеальный газ. При этом принимается, что теплота подводится крабочему телу извне от внешнего источника и отводится в холодильник, т.е.в окружающую среду в условно замыкающем процессе. В этом случае длярасчета процесса сгорания используется понятие теплотворной способноститоплива, а энтальпия рабочего тела находится без учета энтальпииобразования по формуле:TH   C p dT .T013.3.1. Цикл ОттоЧетырехтактный газовый ДВС создан в 1876 году Н.А. Отто (18321891) Цикл Отто совершается в 4-х тактном тепловом двигателе внутреннегосгораниясвнешнимкривошипно-шатуннымсмесеобразованием(карбюраторныймеханизмом.этомПрипоршеньДВС)исовершаетвозвратно-поступательное движение в цилиндре.

Цикл Отто – прямойгазовый изохорный цикл неполного расширения представлен в p-vкоординатах на следующем рисунке.Этот цикл неполного расширения (Рb>Ра) состоит из двух изохорных идвух 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 начальноесостояние.Врезультатеэтогоцикласовершаетсяположительнаярезультатирующая работа ( lц  0 ), равная площадь aczba, которая передаетсяна вал двигателя. В T-s координатах цикла Отто имеет вид:Основные характеристики (параметры) цикла Отто:- степень сжатия:   va / vc , где va – полный объем цилиндра (в началепроцесса сжатия), vc – объем камеры сгорания (в конце процесса сжатия);- степень повышения давления в процессе подвода теплоты (пригорении топливо-воздушной смеси):   Pz / Pc , где Pz – давление ТРТ вконце подвода теплоты q1 , Pc – давление ТРТ в начале подвода теплоты q1 .Параметрами цикла называются величины, которые полностью определяютцикл.

Их число равно числу процессов в цикле без двух. Термический кпдцикла Отто:t löq11q2q1, где q1  cv Tz  Tc  и q2  cv Tb  Ta  . После подстановки q1 и q2в выражение для  t имеем:TTa  b  1Tc T  T t  1  v b a  1   a  .cv Tz  Tc TTc  z  1 Tc T v После подстановки в эту формулу величин: c   a Ta  vc адиабаты ac) и учитывая, чтоTz PzTc Pcê 1  ê 1 (для(для изохоры c-z) и чтоTb Pb Pz  к Pz   , окончательно имеем:Ta Pa  к Pc Pct  1 1 к1, т.е. t  f  , к  .С ростом степени сжатия  увеличивается максимальная температура всистеме Т1 и в соответствии со 2-м законом термодинамики увеличиваетсятермический кпд. С ростом показателя адиабаты к термический кпдувеличивается из-за влияния рода ТРТ, т.е.

теплоемкости идеального газа.Недостатком цикла Отто является невозможность применения высокихстепеней сжатия. Обычно применяются степени сжатия в диапазоне:  3,5  9 , что определяется температурой воспламенения топлива Ттоп,которую не может превышать температура в конце процесса сжатия Тс из-заопасности взрывного самовозгорания топлива, т.е. Тс<Ттоп и  ê 1ÒòîïÒà. Чемвыше октановое число бензина, тем до больших степеней сжатия  можносжать топливо-воздушную смесь (без взрыва).13.3.2. Цикл ДизеляПоршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением отсжатия с внутренним смесеобразованием был создан в 1897 году немецкиминженером Р.Дизелем (1858-1913).

В двигателях Дизеля распыление жидкоготоплива в цилиндре двигателя производится воздухом высокого давления отспециального компрессора из форсунки. При этом давление в конце процессасжатия может составлять порядка рс=32-36 атм (   16  18 ).Идеальный цикл Дизеля состоит из изобарного, двух адиабатных иизохорного процессов и является прямым газовым изобарным цикломнеполного расширения, который изображен в p-v и Т-s координатах наследующих рисункахгде 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   va / vc ;- степень предварительного изобарного расширения  v z vcвпроцессе подвода теплоты q1.Термический кпд цикла Дизеля:TTa  b  1lTc (T  T )qt  ö  1  2  1  v b a  1   a  ,q1q1c p (Tz  Tc )TêTc  z  1 Tc T v где c   a Ta  vc ê 1  ê 1 (адиабата ac);Tz v z   (изобара c-z) – закон Гей-Люссака;Tc vcкTb Pb  v z      к , - (изохора ba и адиабаты zb и ca).Ta Pa  vc Окончательно имеем:t  1 ê  1ê ê 1   1.С ростом степени сжатия  термический кпд цикла Дизеля растет, а сувеличением степени предварительного изобарного расширения   t циклаДизеля уменьшается из-за роста температуры ТРТ при выхлопе (из-за ростатеплоты q2).В двигателе Дизеля сжимается чистой воздух и можно применитьбольшие степени сжатия по сравнению со степенью сжатия в двигателе,работающем по циклу Отто.13.3.3.

Цикл ТринклераЦикл Тринклера – это цикл безкомпрессорных дизелей (смешанныйцикл), состоящий из изобарного, двух изохорных и двух адиабатныхпроцессов, как показано на следующих рисунках в p-v и T-s координатах:где ac – адиабатное сжатие чистого воздуха; су – подвод теплоты q1v (подачатоплива в форкамеру и его сгорание при v=const); yz – подвод теплоты q1p(подача топлива и его сгорание в цилиндре двигателя при p=const); zb адиабатное расширение продуктов сгорания; ba – отвод теплоты q2 (выхлоппродуктов сгорания по изохоре).Основные параметры цикла:- степень сжатия:   va / vc ;- степень предварительного (изобарного) расширения:   v z / vc ;- степень повышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре:  p z / pc .Термический кпд цикла Тринклера:t  1  ê  1. ê 1   1  ê   1Термический кпд растет с увеличением степени сжатия  и степениповышения давления в процессе подвода теплоты по изохоре иуменьшается с ростом степени предварительного (изобарного) расширения.Для рассмотренных циклов Отто, Дизеля и Тринклера  ,  ,   1 .Если   1, то получим цикл Дизеля.

Если   1 , то получим цикл Отто.Таким образом, цикл Тринклера можно рассматривать как обобщающийцикл.Циклы Дизеля и Тринклера имеют более высокие термические кпд, чемцикл Отто, из-за возможности реализовать большие степени сжатия.Преимуществом этих циклов над циклом Отто является также возможностьиспользования более дешевого топлива.Общее у циклов Отто и Дизеля – адиабатные процессы сжатия ирасширения, что позволяет построить методы их сравнения. Сравним этициклы графическим методом – методом сравнения площадей при помощи Т-sдиаграммы.1.Приодинаковыхlöv  löð  lö,одинаковыходинаковом начальном состоянии РТ (точки а и А1)t v v   p  löq1v tp löq1 pи, т.к.q1 p  q1v на величину пл.NbB1FNТаким образом, изохорный цикл (цикл Отто) при этих условияхсравнения является более экономичным, чем изобарный цикл (цикл Дизеля).2. При одинаковых lцv  lцp  lц , одинаковых максимальных давленияхp z  p z1 и одинаковом начальном состоянии РТ (точки а и А1) tp lцq1 p  tv lцq1v, т.к.

q1 p  q1v 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 газотурбинныхустановокНедостаткипоршневыхдвигателейвнутреннегосгорания:ограниченная мощность из-за периодичности их действия и невозможностьполного адиабатного расширения ТРТ до давления окружающей среды, непозволили их использовать при больших скоростях полета. Поэтому прибольших дозвуковых и при сверхзвуковых скоростях полета на летательныхаппаратах устанавливаются различные типы реактивных двигателей.Реактивные двигатели и газотурбинные установки обладают темпреимуществом по сравнению с поршневыми ДВС, что это двигателинепрерывного действия и могут реализовать любые потребные мощности.Кроме того, реактивные двигатели и газотурбинные установки позволяютосуществитьболееэкономичные термодинамические циклырасширения ТРТ до давления окружающей среды.полного13.4.1.

Цикл БрайтонаЦикл Брайтона – это прямой газовый изобарныйцикл полногорасширения, состоящий из двух адиабатных и двух изобарных процессов:гдеac – адиабатное сжатие в диффузоре и компрессоре реактивногодвигателя (ТРД);cz – изобарный подвод теплоты q1 (в камеру сгорания ТРД);zb – адиабатное расширение продуктов сгорания на турбине и вреактивном сопле двигателя;ba – изобарный охлаждение выпускных газов в окружающей среде.Совокупность этих процессов образует цикл с положительнойрезультирующей работойlö  0 .Основные характеристики (параметры) цикла:- степень сжатиясжатияÏ pcpa  va / vc ,или степень повышения давления в процессе;- степень предварительного изобарного расширения ТРТ   vz / vc .Тогда термический кпд цикла Брайтона будет равен:TTa  b  1ñ p (Tb  Ta )löTaqt  1 2  1 1 q1q1ñ p (Tz  Tc ) TzTc   1 Tc,гдеTc  vaTa  vcê 1ê 1ê  ê 1  Ï(адиабата a-c);Tz v z   (изобара cz) – закон Гей-Люссака;Tc vc11Tb vbpêpêvv z 1 z  1à  z   ,Ta vavcpñê vñpbê- (изохора ba и адиабаты zb и ac).Тогда после подстановки этих значений в выражение для термическогокпд получим:1t  1  ê 1  1 1Ïê 1ê.С ростом степени сжатия  (или степени повышения давления П)термический кпд цикла Брайтона возрастает за счет более глубокогорасширения газа, т.к.

снижается температура Тb и теплота q2, отданнаяхолодильнику. Результирующая работа цикла Брайтона больше работы цикланеполного расширения (цикла Дизеля) на величину l при одинаковыхстепенях сжатия ТРТ и подведенной теплоты q1, что позволяет осуществитьболее экономичный термодинамический цикл полного расширения.13.4.2. Цикл ГемфриЦикл Гемфри – это прямой газовый изохорный цикл полногорасширения.

Этот цикл был реализован в пульсирующем прямоточномвоздушно-реактивном двигателе, установленном на немецкой крылатойракете Фау-1. В p-v и T-s координатах этот цикл представлен на следующихрисунках:где ac –сжатие воздуха по адиабате в диффузоре или компрессоре; cz –подвод теплоты q1 по изохоре; zb – адиабатное расширение продуктовсгорания на турбине или в реактивном сопле; ba – изобарное охлаждениевыхлопных газов в окружающей среде.Основные характеристики (параметры) цикла:- степень сжатия   va / vc , или степень повышения давления впроцессе сжатия П=рс/ра;- степень повышения давления в процессе подвода теплоты q1 поизохоре   p z / pc .Термический кпд цикла Гемфри равен:TTa  b  1Tqt 1 2 1 1 ê  aq1q1cv (Tz  Tc ) TzTc   1 Tcc p (Tb  Ta )löT v где c   a Ta  vc ê 1Tz PzTc PcTb vbTa vaê 1p   c  pa ê 1êÏê 1ê,(адиабата ac);(закон Шарля) –изохора c-z;1p zê v z1pbê1pàê1pñê vñ11 p ê  z   ê pc , - (изобара ba и адиабаты zb и ac).После подстановки этих значений в выражение для  t получим: 1 ê1 ,t  1  ê ê 1   1èëè 1 ê1t  1  êÏê 1ê.  1Таким образом, термический кпд цикла Гемфри является прямойфункцией степени сжатия  (или П) и степени повышения давления впроцессе подвода теплоты q1 по изохоре  .13.4.3.

Характеристики

Список файлов книги