![]() Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву ![]() Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Термодинамические циклы двигателей
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК Термодинамические циклы ДВС со смешанным процессом подвода теплоты Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) со смешанным подводом теплоты являются главными двигателями морских транспортных судов с судовой дизельной установкой (СДУ). Для исследования эффективности термодинамических циклов таких ДВС решим ряд задач. Задача 1 Для цикла ДВС со смешанным подводом теплоты заданы следующие начальные параметры рабочего тела: р 1 = 0,095 МПа, t 1 = 40 °С и характеристики цикла: степень сжатия ε = 14; степень повышения давления λ = 1,35; степень предварительного расширения ρ = 1,6. Изобразить цикл на рабочей и тепловой диаграммах. Определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, работу расширения, сжатия и суммарную (полезную), количество подводимой, отводимой и превращаемой в работу теплоты, а также термический КПД цикла.
Решение
Рис. 2.1. Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты на рабочей и тепловой диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 – изобарный подвод теплоты; 4-5 – адиабатное расширение; 5-1 – изохорный отвод теплоты При расчете и анализе термодинамических циклов ДВС полагают, что их рабочим телом является идеальный газ со свойствами воздуха. Поскольку воздух является смесью двухатомных газов азота и кислорода, его теплоёмкости cv и cp и показатель адиабаты k равны
В точке 1 определяем значение удельного объема из уравнения состояния идеального газа
Точка 2 Рассчитываем значение v 2 из определения понятия степени сжатия
Температуру рассчитываем по уравнению изоэнтропы
Давление определяем из уравнения состояния идеального газа
Точка 3 При изохорном подводе теплоты значение удельного объема v 3= v 2 = 0,0676 м3/кг. Давление и температуру определяем, зная определение и значение степени повышения давления λ
р 3 = р 2·λ = 3,822·1,45 = 5,160 МПа, Т 3 = Т 2λ = 899,92·1,35 = 1214,89 К.
Точка 4 При изобарном подводе теплоты значение давления р 4 = р 3 = = 5,160 МПа. Удельный объем и температуру рассчитываем, используя значение степени предварительного расширения ρ
v 4 = v 3ρ = 0,06760·1,6 = 0,1082 м3/кг
Т 4 = Т 3ρ = 1214,89·1,6 = 1943,82 К.
Точка 5 Значение удельного объема в конце адиабатного процесса расширения 4-5 определяем из теории построения термодинамического цикла ДВС v5 = v1= = 0,9464 м3/кг. Температуру рассчитываем из уравнения изоэнтропы
Давление находим из уравнения состояния идеального газа
Результаты расчетов записываем в таблицу:
На основании рассчитанных значений параметров рабочего тела ДВС (идеального газа со свойствами воздуха) определяем энергетические эффекты (работу и теплоту) во всех процессах, образующих термодинамический цикл. Работа: — в изоэнтропном процессе сжатия 1-2
— в изобарном процессе расширения 3-4
— в изоэнтропном процессе расширения 4-5
Суммарная (полезная) работа в цикле
Количества теплоты, подводимые в изохорном процессе 2-3 и в изобарном 3-4, соответственно равны: Количество теплоты, отводимой в процессе 5-1
Полезно используемая теплота (превращаемая в работу)
Результаты расчетов записываем в таблицу:
Рассчитанные суммарные значения q и l согласуются в пределах 0,02 %. Это свидетельствует о высокой точности выполненных расчетов. Термический КПД цикла
Для проверки рассчитываем значение термического КПД по заданным характеристикам цикла
Полученные значения ηt совпали, что также подтверждает высокую точность всех рассчитанных величин. Задача 2 В цикле поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты начальное давление р 1 = 0,09 МПа, начальная температура t 1 = 50 °С, степень сжатия ε = 15, максимальное давление – 5,4 МПа, количество подводимой теплоты q 1 = 900 кДж/кг, рабочее тело – идеальный газ со свойствами воздуха. Какая часть теплоты подводится в изохорном процессе и каково значение термического КПД цикла?
Решение Для ответа на первый вопрос необходимо определить значения температуры в начале и в конце изохорного процесса 2-3 (Т 2 и Т 3). Значение Т 2 рассчитываем из уравнения изоэнтропы 1-2
Для расчета значения Т 3 необходимо знать степень повышения давления λ = р 3/ р 2. Поэтому определяем р 2 из уравнения адиабаты 1-2
Поскольку в рассматриваемом цикле р 3 = рмакс = 5,4 МПа, значение λ равно
λ = р 3/ р 2 = 5,4/3,988 = 1,354.
Температура в конце изохорного подвода теплоты
Т 3 = Т 2λ = 954,65·1,354 = 1292,60 К. Количество теплоты, подводимой в изохорном процессе
что составляет 27,0 % от всей подводимой в цикле теплоты. Для расчета значения термического КПД цикла необходимо определить количество отводимой теплоты, то есть температуру в точке 5, либо определить третью характеристику цикла − степень предварительного расширения ρ. Значение ρ можно найти, рассчитав предварительно температуру Т 4 из уравнения для расчета количества теплоты, подводимой в изобарном процессе
тогда Степень предварительного расширения равна
ρ = Т 4/ Т 3 = 1946,83/1292,60 = 1,506.
Зная характеристики цикла, определяем значение термического КПД
Для проверки определяем температуру Т5 и количество отводимой в цикле теплоты
На основании величин q 1 и q 2 рассчитываем значение термического КПД Значения ηt, рассчитанные двумя способами, согласуются в пределах 0,02 %, что свидетельствует о высокой точности выполненных расчетов. Задача 3 Рассчитать параметры рабочего тела во всех характерных точках идеализированного обратимого термодинамического цикла ДВС со смешанным процессом подвода теплоты. Сделать заключение об его эффективности, если известны следующие данные: температура воздуха в начале процесса сжатия t 1= 24 °С; удельный объем газов в точке 5 v 5 = 0,47071 м3/кг; теплота, подводимая в цикле q 1= 722,64 кДж/кг; работа адиабатного сжатия воздуха l 1-2 = – 501,85 кДж/кг; изменение энтропии в изохорном процессе подвода теплоты Решение Параметры рабочего тела в точке 1: – удельный объем
исходя из теории построения теоретического цикла ДВС; – давление из уравнения состояния идеаьного газа
Параметры рабочего тела в точке 2:
– температуру определяем из соотношения между работой адиабатного процесса сжатия и изменением внутренней энергии рабочего тела
– удельный объем и давление определяем из уравнения адиабаты 1-2
Параметры рабочего тела вточке 3.
Процесс 2-3 – изохорный, поэтому В условии задачи задано изменение энтропии в процессе 2-3
Как известно, в изохорном процессе температура и давление изменяются прямо пропорционально
Проверка. Из уравнения состояния идеального газа
Значения р 3 рассчитанные по двум независимым соотношениям согласуются вполне удовлетворительно (с погрешностью 0,12 %).
Параметры рабочего тела в точке 4. Процесс 3-4 – изобарный, поэтому В условии задачи задано общее количество теплоты q 1, подводимой в цикле
Следовательно, количество теплоты, подводимое в процессе 3-4, равно
С другой стороны
тогда В изобарном процессе температура и удельный объем изменяются прямо пропорционально
Проверка. Из уравнения состояния идеального газа
Значения v 4, рассчитанные по двум независимым соотношениям, совпали.
Параметры рабочего тела в точке 5. Процесс 4-5 – адиабатный, тогда: – температура
– давление
Результаты расчетов записываем в таблицу:
Первая комплексная проверка точности выполненных расчетов термических параметров состояния рабочего тела ДВС в характерных точках цикла состоит в сопоставлении суммарной работы цикла, рассчитанной через p и v, c суммарной теплотой, рассчитанной через T, сp и сv. Вторая проверка точности расчетов состоит в сопоставлении значений термического КПД, рассчитанных из различных соотношений, включающих как термические, так и калорические параметры состояния.
Первоначально рассчитываем значения деформационной работы: – в адиабатном процессе сжатия 1-2
– в изохорном процессе 2-3 – – в изобарном процессе предварительного расширения 3-4
– в адиабатном процессе последующего расширения 4-5
– в изохорном процессе 5-1 – Теперь рассчитываем значения теплоты: – в адиабатном процессе сжатия 1-2 – – в изохорном процессе 2-3
– в изобарном процессе расширения 3-4
– в адиабатном процессе расширения 4-5 – – в изохорном процессе 5-1
Результаты расчетов записываем в таблицу:
Анализируя данные таблицы можно сделать вывод о хорошей точности выполненных расчётов, так как суммарная теплота мало отличается от суммарной работы: всего лишь на 0,34 кДж/кг, или на 0,07 %. Теперь проверяем точность выполненных расчетов, сопоставляя значения термического КПД, рассчитываемые из следующих соотношений: — из соотношения полезной работы цикла и подводимой в цикле теплоты
где l – суммарная работа цикла (см. предыдущую таблицу); — из соотношения подводимой и отводимой в цикле теплоты
где q 1 и q 2 – значения подводимой и отводимой в цикле теплоты: – подводимая теплота
– отводимая теплота
— из соотношения через характеристики цикла ДВС
где
Термический КПД эквивалентного цикла Карно
где
Δ s 5-1 – изменение энтропии в изохорном процессе отвода теплоты 5-1
Δ s 2-3-4 – изменение энтропии в процессе 2-3-4
Таким образом, значения КПД, рассчитанные из 4-х независимых соотношений, хорошо согласуются. Небольшое расхождение (0,07 %) между значениями КПД, рассчитанными через работу цикла l и через значения теплот q 1 и q 2, объясняется отмеченным выше расхождением между суммарными значениями работы и теплоты в цикле. Термический КПД предельного цикла Карно
где Т min, и T max– минимальное и максимальное значения температуры в рассматриваемом цикле. Степень совершенства исследуемого цикла ДВС
Следовательно, эффективность данного цикла ДВС ниже, чем предельного цикла Карно почти на 18 %. Задача 4. Какую дополнительную работу можно получить, расширив отработавшие газы ДВС, рассмотренного в предыдущей задаче, до атмосферного давления в газовой турбине комбинированного двигателя?
Рис. 2.2. Термодинамический цикл комбинированного двигателя на рабочей и тепловой диаграммах: обозначения в цикле газотурбинного двигателя: I-II – изоэнтропное сжатие воздухав компрессоре; II-I – изобарный отвод теплоты от наддувочного воздуха; II-III – изобарный подвод теплоты к газу перед турбиной; III-IV – изоэнтропное расширение в турбине; IV-I – изобарный отвод теплоты в окружающую среду в цикле газотурбинного двигателя; обозначения в цикле ДВС: 1-2 – изоэнтропное сжатиевоздуха в цилиндре дизеля; 2-3 и 3-4 – изохорный и изобарный подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре; 4-5 – изоэнтропное расширение в цилиндре; 5-1 – изохорный отвод теплоты от отработавшего газа ДВС Решение Комбинированный двигатель состоит из поршневого ДВС и открытой газотурбинной установки (ГТУ), которая используется как для наддува ДВС, так и для производства полезной работы. Термодинамический цикл комбинированного двигателя приведен на рис. 2.2. В предыдущей задаче 3 начальное давление воздуха в цикле ДВС равно 0,19 МПа и обеспечивается предварительным сжатием подаваемого в цилиндр дизеля воздуха, сжимаемого в компрессоре, обычно работающего на отработавших газах ДВС. Как известно, в открытой ГТУ теплота к рабочему телу подводится по изобаре (см. рис. 2.2). Тогда
где TII — температура воздуха после компрессора, которая определяется из уравнения адиабатного процесса I-II
При расчете ТII приняты значения давления 0,1 МПа и температуры ат-мосферного воздуха 20 °С. Из уравнения для расчета подводимой теплоты в изобарном процессе определяем температуру рабочего тела перед турбиной
где Определяем удельный объем в точках I, II и III из уравнения состояния идеального газа точка I
точка II
точка III
Температура в конце адиабатного расширения газов в турбине (точка IV)
Удельный объем газов в конце процесса расширения газов в турбине
Теплота, отводимая в цикле ГТУ I-II-III-IV-I
Количество теплоты, превращаемой в работу в цикле ГТУ
Рассчитаем теперь работу цикла ГТУ путем непосредственного расчета значений работы отдельных процессов через переменные p и v. Техническая работа: — получаемая при адиабатном расширении газов в турбине (процесс III-IV)
— затрачиваемая на адиабатное сжатие воздуха в компрессоре (процесс I-II)
— изобарных процессов подвода II-III и отвода теплоты IV-I равны нулю. Суммарная (полезная) работа, получаемая в цикле ГТУ равна
Значения работы, рассчитанные двумя способами, практически совпали. Итак, используя энергию отработавших газов ДВС в комбинированном двигателе, можно дополнительно получать полезную работу помимо работы, используемой для сжатия наддувочного воздуха. В данной задаче такая работа равна 37,67 кДж/кг. Дополнительную работу можно использовать, например, для привода насосов охлаждающей воды главного двигателя судовой дизельной установки. Это повысит эффективность судовой энергетической установки (но несколько усложнит её).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; просмотров: 404; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.129.63.132 (0.142 с.) |