1598005352-c8ee7d2a5515e9724b112e615ad75d2e (811199), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В других случаях само рабочее тело подвержено сжатию и перекачиванию с помощью нагнетательных клапанов или других подобных устройств; такие системы по принятым во введении к книге определениям не могут быть отнесены кмашинам, работающим по циклу Стирлинга. Тем не менее в литературе они рассматриваются как таковые. В большинстве случаев при понижении давления в цикл вводится дополнительное количество рабочего тела; при повышении давления часть рабочего'тела удаляется. Подвод теплоты происходит при высокой температуре, а его отвод — при низкой. Работа расширения больше работы сжатия на значение, эквивалентное работе по перекачиванию жидкости.
2-$0. ЕЫЕОДЫ Как правило, в прикладной термодинамике подчеркивается особенность цикла Карно как некоей идеализированной системы, не имеющей практического применения, но обладающей наивысшей термической эффективностью. В сущности не уяснено, что имеется бесконечное число термодинамических циклов с такой же максимальной термической эффективностью. Все эти циклы должны иметь различные регенеративные процессы теплообмена н изотермические процессы подвода и отвода теплоты. Цикл Карно отличается от них тем, что в нем используются изоэнтропические, а не регенеративныл процессы теплообмена.
К двум другим особым циклам относятся циклы Стирлинга и Эриксона, в которых регенеративные процессы происходят соответственно при постоянных объеме и давлении. Конечно, можно найти бесконечное множество и. других подобных циклов с регенератнвными процессами„происходящими не толью при постоянных давлении, объеме, энтропии, но эти циклы не имеют собственных названий. Возможность создания машины, работающей по циклу Стирлинга, является не менее отдаленной, чем возможность создания машины с циклом Карно. Машины, называемые в настоящее время двигателями Стирлинга, в действительности не работают по циклу Стирлинга.
Различиям между идеальным и действительным циклом двигателей посвящена следующая глава книги. ГЛАВА ТРЕТЬЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ЦИКЛ РЕВИГАТЕЛЯ 3-К ИДЕАЛЬНЫЯ ЦИКЛ Цикл Стирлинга — это идеализированный термодинамический цикл, состоящий из четырех термодинамических процессов, отражаемых двумя изотермамн и двумя изохорами. Прн предварительном рассмотрении цикла предполагалось, что все процессы — термодинамически обратимые, а процессы сжатия и расширения — изотермические; вследствие этого было принято, что коэффициент теплоотдачи между стенками цилиндра и рабочим телом — бесконечно большой. Кроме того, считалось, что во время процессов сжатия н расширения вся масса рабочего тела находится в соответствующих полостях, а влияние каких бы то ни былосвободных объемов в насадке регенератора, в зазорах цилиндра или пазах незначительно.
Было принято также, что для соответствующего распределения массы рабочего тела в цикле поршни двигаются прерывисто, а гидравлическое сопротивление и механическое трение отсутствуют. Наконец, предполагалась идеальная регенерация теплоты; это означало, что коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и насадкой регенератора, а также теплоемкость самой насадки бесконечно большие. 3.2.
ДЕЯСТВИТЕЛЬНЫЯ ЦИКЛ 73 люоом реальном двигателе все перечисленные выше факторы, а также и ряд других значительно снижают термический к. п. д. цикла по сравнению с к. п. д. в идеальном цикле Карно. Эффективный к. п. д. составляет часть теоретического к. п. д. цикла Карно; это отношение называется относительным к.
п. д., т. е. а4фектиаимй к. и. д. Чоти термический к. и. д. цикла Карио В хорошо сконструированной машине значение этого коэффит циента превышает 0,4. Для иллюстрации рассмотренного выше идеального цикла предполагалось, что механическое устройство состояло из двух оппозитно расположенных поршней с помещенным между ними регенератором.
Такая двухпоршневая машина является одной из разновидностей многочисленных конструкций; подробнее она будет и рассмотрена несколько позже. Один из возможных вариантов двухпоршневой машины приведен на рис. 3-1. Это Ч-образный двигатель, поршни которого имеют общий коленчатый вал. Объемы 7 сжатия и расширения расположены в полостях над поршнями и соединяются между собой каналом с имеющнмнся в нем регенератором и дополнительными теплообменниками. Прн работе двигателя существенное отклонение от идеальности происходит вследствие непрерывного движения пор- Рис.
ЗЛ. Схема двигатели шней в отличие от прерывистого дви- Стирлиига с У-обрааимм жения для идеального случая. В ре- Расположеиием поршней. 1 — полость ресюирении; У— ЗуЛЬтатЕ ЦИКЛ В р, рг-диарраММЕ НЕ- полость сжетннг 8 — регенере. СКОЛЬКО ВИЛОИЗМЕНИЕТСИ' В ЭТОМ СЛуяае тор: Š— вегреввтель; 1 — хо- лодильинк; 6 — подвое горю- ОН ИМЕЕТ ВИД НЕПрЕрЫВНОй ПЛаВНОй чего; 7 — подача воедухе; 8— выхлоп продуктов сгорания ЗаМКНУтОй КРИВОЙ, а ЧЕТЫРЕ тЕРМОДИ- топливе; У вход воды; 1Р— НаМИЧЕСКИХ ПроцЕССа НЕ ИМЕЮТ РЕЗКИХ в~ход водьг; 11 — подогреин- тель воидухв, переходов (рис. 3-2). В реальном двигателе процессы сжатия и расширения в соответствующих полостях осуществляются неполностью, и поэтому представляется возможным изобразить три отдельные р, 17-диаграммы; для полости сжатия, полости расширения и для суммарного объема с учетом мертвых объемов.
Мертвый объем — это та часть общей рабочей полости, которая при работе двигателя не вытесняется ни одним 'из поршней. К мертвому объему относятся: зазоры между соответствующим поршнем и цилиндром, свободные объемы регене- ратора и теплообменииков, объемы соединительных каналов и отверстий.
Общая положительная работа за цикл характеризуется р, У-диаграммой полости расширения, а отрицательная (затраченная) работа сжатия за цикл — р, 17-диаграммой полости сжатия. Разность площадей этих диаграмм есть полезная (индикаторная) работа за цикл, часть которой расходуется на компенсацию работы трения (механические потери), а остальная часть — зто полезная механическая работа на коленчатом валу двигателя. Для идеального цикла, в котором процессы сжатия и расширения протекают изотермически, а механические потери отсутствуют, разность площадей соответствующих р, 1'-диаграмм в точности равняется площади р, 17-диаграммы для суммарного рабочего объема. обмен), чем к изотермическим (бесконечно большой коэффициент теплоотдачи). Для того чтобы процесс был наиболее близок к изотермическому, в двигателе часто используют специальные дополнительные теплообменники: нагреватель, примыкающий к полости расширения и служащий для подвода теплоты к рабочему 'телу, н холодильник, расположенный в зоне полости сжатия с целью отвода теплоты от рабочего тела (см.
рис. 3-1). Несмотря на определенные улучшения условий теплообмена, наличие этих теплообменников имеет и некоторые негативные стороны. По всей вероятности, они увеличивают гидравлическое сопротивление, отрицательно сказывающееся на характеристиках двигателя, о чем уже говорилось выше. Далее, наличие указанных теплообменников вле- а) б) б) Рнс. 3-2. Действительная р, 'т'-диаграмма двигателя Стирлннга. а — диаграмма полости расширения; б — диаграмма полости сжатия; и -- диаграмма суммариого объема. В реальном двигателе из-за наличия гидравлическогосопротивления в регенераторе и теплообменниках, приводящего к разности давлений в полостях сжатия и расширения, такого равенства, естественно, не достигается.
Гидравлическое сопротивление является чрезвычайно важным, поскольку оно уменьшает площадь р, )г'-диаграммы; это влечет за собой уменьшение полезной работы (а следоватвльно, и эффективного к. п. д.) двигателя и снижение холодопроизводительности и холодильного коэффициента холодильной машины (рис. 3-3). Гармоническое движение поршней обусловливает циклическое перераспределение массы рабочего тела между различными температурными уровнями; в этом случае для общей массы рабочего тела невозможно построить наглядную Т, 5-диаграмму. Такие Т, 5- диаграммы можно построить лищь для отдельных частичек рабочего тела, перемещающихся от одного температурного уровня к другому; однако удобного способа, объединяющего все зти многочисленные диаграммы, нет.
Неизотермичность процессов сжатия и расширения — другая важная причина отклонения действительного цикла от идеального. Так, вероятней всего, что в двигателе с частотой вращения около 1000 об/мин зти процессы ближе к адиабатическим (отсутствует тепло- Рнс. З-З. Влияние гидравлического сопротивления на работу двигателя.
а — диаграмма «давпеиие — время» дяя взмеияшщихся давяеииа в полостях сжатия и расширеиия. Различие в давлеиияя — резуяьтат вхияпвя гидравлического сопротивяеиия в регеиераторе и теплообмеиииках; б — р, и-дваграммм дая полостеа расширеввя и сжатия. Заштриховаииая площадь р, у.диаграммм пояости расширения характеризует работу, обусяовяеипую сопротивлением в регсиераторе и тепаообмеиипках. чет за собой увеличение общего мертвого объема из-за свободных объемов нагревателя и холодильника, что имеет решающее влияние на характеристики регенеративных машин. Кроме того, нагревание рабочего тела происходит не только при его перемещении из регенератора в полость расширения, но также и при его обратном движении. Подобным же образом происходит н охлаждение рабочего тела как на входе, так и на выходе из полости сжатия. Возможны также и однопоточные системы, но онн вносят дополнительные сложности в машину.
Совместное рассмотрение влияния увеличения гидравлического сопротивления и свободных объемов (с учетом цены, размеров и массы) приводит к компромиссному решению конструкции теплообменников. В результате может иметь место значительное расхождение между температурами нагревания (температура продуктов сгорания топлива), температурой охлаждения (температура воды или воздуха) и температурой рабочего тела. Это показано на рис. 3-4, Такое распределение температур можно считать типичным для регенеративного двигателя, где источником теплоты служит природное топливо, а для охлаждения используется вода. В этом случае тем- 27 пературы продуктов сгорания и охлаждающей воды соответственно равны 2800 и 280 К.
Предельная температура„ограничивающая применение конструкционных материалов (термический предел) для расширительного цилиндра и нагревателя, составляет около 1000 К. Это означает, что между продуктами сгорания и стенкой цилиндра имеется резкий температурный градиент (2800 †10 К), что способствует достижению высоких коэффициентов теплоотдачи. Кроме того, если температурные градиенты между рабочим телом и полостями расширения и сжатия соответственно равны 100 и 80 К, то можно считать, что диапазон изменения температуры рабочего тела в цикле составляет от 280 + 80 = 330 К до 1000 — 100 = 900 К. Несмотря на то что термический к. п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
