Исследование термодинамики и теплопередачи

Адиабатный процесс - это процесс, реализуемый без теплообмена рабочего тела с внешней средой. Практическое осуществление процесса в автомобильных двигателя возможно путем разработки «керамического» двигателя без системы охлаждения или увеличения средней скорости поршня c целью сокращения продолжительности процессов сжатия и расширения. Следовательно, и времени контакта рабочего тела с окружающей средой для исключения теплообмена между ними.

Характеристикой адиабатного процесса является отношение теплоемкостей Ср и Сv названное показателем адиабаты К = Ср / Сv и р к = const. Зависимость между переменными параметрами состояния Т, Р, , в адиабатном процессе устанавливают уравнения

Т2/Т1 = (1 /2)к-1, Т2/Т1 = (р2/р1) (21)

Работа расширения в адиабатном процессе совершается за счет внутренней энергии. При сжатии внутренняя энергия рабочего тела увеличивается, а при расширении уменьшается.

= (р11 - р2 2) /(к-1) (22)

Политропные процессы - это процессы, реализуемые в автомобильных двигателях, в ходе которых все параметры и функции состояния рабочего тела: р, Т, , и, j, S являются переменными, одновременно происходит теплообмен между рабочим телом и внешней средой.

Постоянство теплоемкости является основной характеристикой политропного процесса, из которого можно выделить, как его частные случаи все четыре рассмотренные процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный. Различия их состоят в показателе степени при удельном объеме . Так, в изохорном процессе при = const показатель степени n = ; в изобарном процессе при Р = const, n = 0; в изотермическом процессе при Т = const, n = 1; в адиабатном процессе при р к = const, n = к ; в политропном процессе, очевидно уравнение линии политропы имеет р n = const, где n - показатель политропы. Для автомобильных двигателей показатель политропы сжатия n1 = 1,23…1,36, а политропы расширения n2 = 1,23…1,26.

Зависимость между параметрами состояния в политропном процессе аналогичны зависимостям адиабатного процесса:

р2/р1 = (1 /2) n ; Т2/Т1 = (1 /2) n-1; Т2/Т1 = (р2/р1) ; (23)

= (р11 - р2 2) /( n -1) ; С = Сv ; n = , (24)

где: С - теплоемкость газа в политропном процессе,

- удельная работа в политропном процессе.

Глава 3. Основные законы термодинамики

Первый закон. Принцип невозможности вечного двигателя первого рода.

Второй закон. Принцип невозможности вечного двигателя второго рода.

Третий закон. Принцип невозможности вечного двигателя третьего рода.

3.1 Первый закон термодинамики

Принцип невозможности вечного двигателя первого рода.

Появление паровой машины и ткацкого станка во второй половине XVIII века вызвали переворот в технике. Однако законы преобразования тепловой энергии в механическую энергию, на основании которых можно было бы судить о качестве созданных машин, не были открыты. Этому препятствовала господствовавшая в то время ложная теория о тепловоде - невесомой, всепроникающей жидкости, по отношению к которой каждое тело играло лишь роль сосуда, способного вмещать различные ее количества.

Первым кто отверг «теорию тепловода» был В.М.Ломоносов. Он еще в 1760г. писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножиться в другом месте. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Однако прошло почти 100 лет напряженных исследований, прежде чем физики в 1850г. сделали общепризнанным закон сохранения энергии, как универсальный фундаментальный закон природы.

Первым законом термодинамики называется закон сохранения энергии и движения применительно к термодинамической системе. Энергия из нечего не возникает и никуда не исчезает, она только преобразовывается из одного вида энергии в другой. Например, в автомобильных двигателях скрытая химическая энергия углеводородных топлив преобразовывается в тепловую энергию, а затем тепловая энергия эквивалентно преобразовывается в механическую работу. При этом подведенная к рабочему телу энергия расходуется на изменение его внутренней энергии и производство внешней работы расширения объема. Поэтому первый закон термодинамики математически можно представить в виде балансового уравнения.

q = U2 - U1 + или q = Сv (Т2 - Т1) + р (2 -1), (25)

где q - теплота, подведенная к рабочему телу;

- удельная работа, связанная с изменением объема.

Теплота, подведенная к рабочему телу и отведенная от него, принято считать соответственно положительной и отрицательной, а положительное и отрицательное изменение внутренней энергии характеризует соответственно увеличение или уменьшение ее.

Вечным двигателем первого рода называют виртуальный двигатель, функционирующий без подвода к рабочему телу теплоты для производства работы против внешних сил. В соответствии с первым законом термодинамики невозможно построить тепловой двигатель, производящий работу против внешних сил без затраты топлива (теплоты), так как энергия из ничего не возникает и работу из ничего получить нельзя. В связи с этим первый закон термодинамики нередко называют принципом невозможности вечного двигателя первого рода.

3.2 Второй закон термодинамики

Круговые процессы. Цикл Сади Карно. Принцип невозможности вечного двигателя первого рода.

Изменение состояния тел имеет односторонний естественный ход: тепло переходит от горячего тела к холодному, но не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. Когда теплопередача прекратится, состояния тел перестанут изменяться и установится тепловое равновесие, из которого самопроизвольно выйти не могут. Система тел, находящихся в равновесии друг другом, энергетически бесплодна.

Для получения работы необходимо прежде всего найти тела не находящиеся в равновесии со своими соседями. Только тогда удается осуществить процесс перехода теплоты от одного тела к другому, т.е. превращения теплоты в механическую энергию.

Первый закон термодинамики раскрывает взаимосвязь теплоты и работы, устанавливает принцип их эквивалентности. Однако не раскрывает условия и пути преобразования тепловой энергии, в механическую, что является сущностью любого теплового двигателя. Их установление является содержанием второго закона термодинамики, сформулированного в 1850г., на основе работ французского физика Сади Карно, немецким физиком-теоретиком Р. Клаузиусом в виде положения о невозможности самопроизвольной передачи теплоты от более холодного тела к более теплому и с помощью введенного им понятия энтропии.

Имеется несколько равноценных формулировок второго закона термодинамики в виде постулатов, т.е. положений, принимаемых без доказательств. Приведем формулировки, относящие к тепловым двигателям.

1. Для совершения полного термодинамического цикла теплового двигателя к рабочему телу нужно не только подводить теплоту от теплоисточника, но и с такой же непреложностью отводить теплоту в теплоприемник для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

2. Теплота самопроизвольно может передаваться лишь от более нагретого рабочего тела к менее нагретому рабочему телу. Для передачи тепла в противоположном направлении необходимо затратить работу.

3. Всякий самопроизвольный процесс в изолированной термодинамической системе переводит ее из менее вероятного состояния в более вероятное состояние.

4. В тепловом двигателе только часть теплоты теплоисточника может перейти в работу, а остальная часть должна перейти в теплоприемник.

Работа теплового двигателя важно только при наличии перепада температур Т1 и Т2, притом циклично, т.е. по принципу непрерывно повторяющихся циклов, возвращающих рабочее тело в исходное состояние в каждом цикле. Для реализации замкнутого кругового процесса цикл включает несколько прямых и обратных процессов. На проведение обратных процессов приходиться использовать некоторую долю работы расширения цикла.

На рис. 4 изображен круговой цикл С. Карно в координатах р-х и Т-s.

Рис. 5. Цикл Сади Карно

а - в р - х координатах; б - в Т-s координатах

Цикл составлен из двух изотермических и двух адиабатных процессов и занимает особое место в теории тепловых двигателей. Объясняется это, тем, что в ряду всевозможных циклов тепловых двигателей при равных условиях цикл Карно имеет максимальный КПД, зависящий исключительно от отношения максимальной и минимальной температуры рабочего тела в цикле.

В цикле С. Карно при максимальной температуре Т1 теплота подводится к рабочему телу при Т = const на участке 1-2 процесса расширения и целиком превращается в работу, так как Т = const внутренняя энергия рабочего тела не изменяется.

На участке 2 - 3 процесса расширения по адиабате тепло не подводится, а работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии. Поэтому в точке 3 температура рабочего тела Т2 < Т1 , а внутренняя энергия изменяется на Сv (Т2 - Т1).

Для совершения последующих циклов рабочее тело необходимо каждый раз вернуть в исходное положение, характеризуемое параметрами в точке 1. Это достигается изотермическим сжатием на участке 3 - 4 и адиабатическим сжатием на участке 4 - 1. На участке 3 - 4 рабочее тело сохраняет температуру Т2 и затраченная на сжатие механическая энергия переходит в отданную холодному источнику теплоту q2; на участке адиабаты 4 - 1 за счет механической энергии повышается внутренняя энергия на величину Сv (Т2 - Т1) и температура рабочего тела до Т1.

КПД цикла Карно з определяется из соотношения

Получить значение равное единице, невозможно, так как для этого требуется, чтобы Т1= или Т2= 0. Такие значения Т1 и Т2 недостижимы. Для повышения з необходимо увеличить перепад температур рабочего тела Т1 и Т2.

Реально осуществить цикл Сади Карно в тепловых двигателях невозможно, так как давление цикла Р и степень сжатия должны достигать значений 500 МПа, а затраты на трение поглашают большую часть работы цикла. Для современных двигателей Р = 5,0 15 МПа; = 1018; з = 0,8. Актуальной задачей была и остается приближение КПД реально существующих тепловых двигателей к значениям (0,750,88), характерных для теоретических циклов Сади Карно. Вечный двигатель второго рода в отличие от первого допускает подвод внешней энергии к рабочему телу, однако требует реализации стопроцентного превращения теплоты в работу. Воображаемый тепловой двигатель с коэффициентом полезного действия равным единице создать невозможно и это наглядно видно в цикле С. Карно.

Поэтому принцип невозможности вечного двигателя второго рода находится в полном соответствии со вторым законом термодинамики, по которому часть теплоты должна быть обязательно отдана холодному источнику для достижения исходного состояния рабочего тела и обеспечения определенного перепада температур в непрерывно повторяющихся циклах замкнутого термодинамического процесса.

3.3 Третий Закон термодинамики

Принцип невозможности вечного двигателя третьего рода.

Самая низкая температура - это температура абсолютного нуля по шкале Кельвина - 0К, пропорциональная объему идеального газа V0 = 0.

Отрицательные объемы не существуют и поэтому температуры ниже 0 К. не существует. Получить температуру ниже абсолютного нуля так же невозможно, как и изготовить проволоку с диаметром меньше нуля.

При абсолютном нуле тело нельзя охладить, т.е. она обладает возможной наименьшей энергией.

На основе обобщения исследований различных веществ при сверхнизких температурах был сформулирован третий закон термодинамики известный как теорема или принцип Нернста: в любом изотермическом процессе, проведенном при Т = 0К, изменение энтропии системы равно нулю, т.е. S0 = 0; S = S0 = const. По утверждению Планка при Т=0К и энтропия равна нулю.

В Т-s диаграмме состоянию Т = 0 и s = 0 соответствует точка начала координат. Поэтому площадь любого замкнутого кругового термодинамического процесса в Т-s диаграмме равна нулю. В этой связи третий закон термодинамики формулируется как принцип невозможности вечного двигателя третьего рода, т.е. воображаемого двигателя, в котором осуществляется замкнутый круговой процесс с отводом теплоты от рабочего тела при абсолютном нуле температуры.

Следствием третьего закона является также положение о недостижимости абсолютного нуля температуры и возможности приближения к нему сколь угодно близко.

Глава 4. Термодинамические циклы автомобильных двигателей

Прямые и обратные циклы. Цикл Н. Отто. Цикл Р. Дизеля.

Цикл Сабатэ-Тринклера. Цикл Р. Стирлинга.

Основным типом двигателей для автомобильного транспорта остаются поршневые двигатели внутреннего сгорания. Двигатели внешнего сгорания пока еще остаются на стадии теоретических разработок.

Поршневые двигатели вследствие высокой их эффективности получили широкое распространение в качестве тепловых двигателей. Рабочим телом их являются воздух и продукты горения углеводородных топлив. Расход их колоссальный, особенно воздуха, так как для полного сгорания 1кг. топлива требуется 1520 кг воздуха. Вместе с тем, двигатели автомобилей не могут в работе использовать наиболее эффективный цикл Сади Карно и работают по другим теоретическим циклам, менее выгодным по теоретическому КПД.

4.1 Прямые и обратные циклы

Циклом теплового двигателя называется круговой неоднократно повторяющийся термодинамический процесс, при осуществлении которого рабочее тело, пройдя ряд последовательных состояний, возвращается в исходное состояние. Цикл может протекать как в одном, так и в противоположных направлениях. Цикл, протекающий в направлении часовой стрелки, называется прямым. Прямыми являются все циклы, по которым работают тепловые двигатели.

Обратные циклы характерны для холодильников. Прямой цикл характеризуется работой цикла ц, термодинамическим коэффициентом полезного действия , средним давлением цикла рц, степенью сжатия цикла .

Работа цикла - определяется разностью работ совершенной рабочим телом при его расширении и затраченной на его сжатие, перед подводом теплоты. Она всегда положительна и пропорциональна площади, ограниченной термодинамическими процессами, формирующими цикл: адиабата сжатия, изохора и (или) изобара подвода теплоты, адиабата расширения и изохора отвода теплоты ц = q1- q2, где q1 и q2 - количество подведенной и отведенной теплоты в цикле соответственно.

Термический КПД характеризует качество теплоиспользования в цикле. Он показывает, какая часть подведенной к рабочему телу теплоты расходуется на совершение работы, расширение цикла и какая часть теряется вследствие отвода ее в охладитель для возвращения рабочего тела в исходное состояние = 1- (q2/q1),

Среднее давление цикла - это удельная работа, получаемая с единицы рабочего объема Vh = Vmax.-Vmin.

В теории автомобильных двигателей Vmin. называют объемом камеры сгорания или камеры сжатия Vс, а Vmax - полным объемом цилиндра Va и

Vmax. / Vmin. = Va / Vс = - степенью сжатия рабочего тела.

Рц = ; = ,

Степень сжатия рабочего тела показывает, во сколько раз уменьшается его объем в процессе адиабатического сжатия перед началом термодинамического процесса подвода к нему теплоты. Повышение степени сжатия способствует росту термического КПД цикла.

Работа цикла оценивается единицей работы - джоуль (Дж) равным работе, произведенной силой 1Н на пути 1м. На практике пока еще часто пользуются единицей работы килограммометром (кг·м.).

Работа цикла или циклов, произведенная в единицу времени = 1с называется мощностью, N. Мощность, равная 1 Дж/с, называется ватт (Вт). 1Вт = 1Нм/с. Для автомобильных двигателей на практике мощность измеряют в киловаттах (кВт) или в лошадиных силах (л.с.) 1кВт = 1,36л.с. или 1л.с. = 0,736 кВт.

Одна лошадиная сила или один киловатт эта работа, затрачиваемая для перемещения массы 75кг или 102кг, соответственно, на высоту один метр в течение одной секунды, т.е.

1л.с. = 75кгм/с; 1 кВт = 102кгм/с или 1кВт = 1000 Нм/с;

Обратные термодинамические циклы характеризуются отрицательной работой и у них работа сжатия всегда больше работы расширения. Поэтому для их осуществления необходимо затратить работу из вне. Полезным эффектом цикла является отведенная от объекта охлаждения теплота в холодильной установке.

Эффективность обратного цикла, реализуемого в холодильнике оценивается холодильным коэффициентом t, т.е. отношением отведенной из холодильной камеры теплоты к затраченной на обратный цикл.

Следовательно, t = 1/ -1.

4.2 Циклы автомобильных двигателей внутреннего и внешнего сгорания. Цикл Н. Отто. Цикл Р. Дизеля

Цикл Сабатэ - Тринклера.

Автомобильные двигатели с принудительным искровым зажиганием рабочего тела функционируют на легких топливах: бензине, сжиженном и сжатом газе. Термодинамический цикл, реализуемый в их цилиндрах, представляет собой повторяющуюся замкнутую последовательность обратимых термодинамических процессов. Это политропное сжатие, изохорный подвод теплоты, политропное расширение и изохорный отвод теплоты, каждый из которых приближенно отражает особенности реальных процессов. Поэтому в теоретическом цикле Н. Отто, положенному в основу создания указанных двигателей принято, что цикл совершается неизменным количеством рабочего тела выступающего в роли идеального газа постоянного состава. Также принято, что теплоемкость этого газа не зависит от изменения температуры, а сжатие и расширение его осуществляется без теплообмена с внешней средой, т.е. по адиабатам сжатия и расширения (рис. 6).

Автомобильные двигатели с самовоспламенением топлива от сжатия, работающие на дизельном топливе, в самом начале их создания работали на светильном керосине, имели компрессорный впрыск топлива и были созданы на основе цикла Р. Дизеля. Такой цикл представляет собой повторяющуюся замкнутую последовательность прямых термодинамических процессов: адиабатное сжатие, изобарный подвод теплоты, адиабатное расширение и изохорный отвод теплоты от рабочего тела для возвращения его в исходное состояние (рис. 7).

Вскоре взамен дорогого светильного керосина стали применять дизельное топливо, а взамен компрессорного впрыска - впрыск топлива топливным насосом высокого давления и цикл Р. Дизеля заменили на смешанный цикл Сабатэ-Тринклера. Отличительной особенностью такого цикла является смешанный подвод теплоты в два этапа: в начале по изохоре q1', а затем по изобаре q1'' (рис.8.)

Автомобильные двигатели будущего имеют внешнее сгорание топлива и в основу их работы положен теоретический цикл Роберта Стирлинга, предложенный им в 1816 году, отличительной особенностью которого является то, что он позволяет получить коэффициент полезного действия равный КПД цикла С. Карно (80%) в интервале температур 1000 - 1400 К и давлений 10-20 МПа.

Задача термодинамического анализа циклов автомобильных двигателей состоит в получении выражений для определения параметров (р и Т) в характерных точках цикла, параметров цикла, термического КПД и среднего давления цикла, а так же определение характера зависимости последних от параметров цикла.

Теоретический цикл Н.Отто - это цикл с подводом теплоты при постоянном объеме рабочего тела, V = const. Цикл начинается с адиабатного сжатия а-с. Между точками с-z к рабочему телу подводиться извне теплота q1.

Рис. 6. Цикл Н. Отто а - в р - х координатах; б - в Т-s координатах

Продолжительность сгорания топлива в двигателях очень короткая, поэтому в термодинамическом цикле теплоподвод считают происходящим по изохоре, т.е. при V = const.

В результате теплоподвода давление, температура и внутренняя энергия рабочего тела повышаются и в точке z достигают наибольших значений. Адиабатный процесс расширения рабочего тела z-в это единственный процесс в цикле в ходе, которого совершается положительная работа, часть ее аккумулируется, для осуществления процесса сжатия а-с последующего цикла, в маховике двигателя. В изохорном процессе в-а при Vа = Vв рабочее тело отдает окружающей среде теплоту в количестве q2.

Параметрами цикла являются Vа/Vс = - степень сжатия и рz /рс = - степень повышения давления.

Характерными точками цикла являются: а, с, z, в и их координаты ра, Vа, Та; рс, Vс , Тс ; рz и Тz ; рв и Тв.

Подведенная и к рабочему телу и отведенная от него теплота q1 и q2 определяются по формулам

q1 = СV (Тz -Тс) и q2 = СV (Тв - Та) (28)

Им пропорциональны площади под изохорными процессами с-z и в-а соответственно.

Кроме того:

Тс = Та к-1 ; Тz = Тс = Та к-1 ; Тв = Тz / к-1 = Та (29)

После подстановки их получим КПД цикла Отто.

= (30)

Из уравнения видно, что КПД цикла Отто тем больше, чем выше степень сжатия.

В реальном двигателе степень сжатия не превышает 10-11 и ограничен детонационным сгоранием бензина.

Среднее давление цикла определяется из формулы:

рц = (31)

Рц возрастает прямо пропорционально Ра. На практике Ра повышают за счет применения наддува.

Теоретический цикл Р. Дизеля - это цикл с подводом теплоты при

Р = const, т.е. по изобаре.

Для цикла с подводом теплоты q1 при постоянном давлении = Vа/Vс; Рz /Рс = = 1; = Vz / Vс - степень предварительного расширения и = Vв/ Vz - степень последующего расширения.

Цикл состоит из адиабатического сжатия а-с, изобарического подвода теплоты с - z, адиабатического расширения z-в и изохорного отвода теплоты q2, в-а.

Рис. 7. Цикл Дизеля

а - в р - х координатах; б - в Т-s координатах

Параметры цикла связаны соотношением =. Выразим температуру в характерных точках цикла через его параметры и Та - температуру рабочего тела в исходном состоянии.

Тс = Та к-1; Тz= Тс = Та к-1; Тв = Тz /к-1 = Тz /к-1 к-1 = Так ; (32)

Рс = Ра к ; Рz = Рс ; Рв = Рz /к ; q1 = Ср( Тz - Тс) = Ср Та к-1(-1); (33)

q2 = Сv (Тв - Та) = СV Та (к -1);

КПД цикла Дизеля =

 Среднее давление цикла Дизеля рц =

Теоретический цикл Сабатэ-Тринклера - положен в основу создания современных быстроходных дизелей. Как и циклы Отто и Дизеля, смешанный цикл начинается с адиабатного сжатия (а-с) рабочего тела со степенью сжатия = 14 - 22. Теплоподвод осуществляется в два этапа: в начале по изохоре с- z, а затем по изобаре z- z/ (Рис. 8). От точки z/ начинается рабочий ход цикла, т.е. адиабатное расширение рабочего тела z/-b, которое заканчивается в точке b при Vв = Vа. Заканчивается цикл теплоотводом по изохоре в-а.

Для рассматриваемого цикла

q1= q1'+ q''1, т.е. q1 = СV(Тz - Тс) + Ср(Тz/ - Тz) ; (36)

q2 = СV(Тв - Та); = рz /рс ; с =Vz/ / Vс ; д = Vа/ Vz/ (37)

Рис.8. Цикл Сабатэ-Тринклера

а - в р - х координатах; б - в Т-s координатах

Выразим температуры в характерных точках цикла через его параметры и температуру рабочего тела в начале цикла Та и получим:

q1 = СV Та к-1 q2 = СV Та

Термический КПД и среднее давление смещенного цикла определяется по формулам:

= и рц = (39)

Для повышения ра, а следовательно рц в дизелях применяют газотурбонаддув.

Термический КПД увеличивается с повышением , к и и уменьшается при повышении .

Доля теплоты q1/ поведенной по изохоре может принимать значения от q1/ = 0 до q1/ = 100% . При q1/ = 0% и = 1 вся теплота подводится по изобаре, т.е. цикл переходит в цикл Дизеля. При q1/ = 100% вся теплота подводится по изохоре, и цикл переходит в цикл Н. Отто.

На практике высокие давления цикла ухудшают условия работы деталей двигателя и снижают его технический КПД, что ограничивает значения

= Рz / Рс = 1,5-2,1. Значение =Vz/ / Vс выбирают от 1,4 до 1,8.

Сопоставление циклов Отто и Сабатэ - Тринклера, показывает, что дизели экономичнее на 30%, чем двигатели, работающие по циклу Отто, однако уступают им по своим удельным мощностным и массогабаритным показателям.

4.3 Теоретический цикл двигателя внешнего сгорания - цикл Роберта Стирлинга

Теоретически наиболее выгодным термодинамическим циклом является цикл С. Карно, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов. Циклы Р. Дизеля состоящие из двух адиабатических, одной изобары и одной изохоры или Сабатэ - Тринклера состоящий из двух адиабатических, двух изохор и одной изобары или цикл Н. Отто, включающий два адиабатических и два изохорных процессов менее экономичны, так как в них количество подводимой и отводимой теплоты меньше чем в цикле Карно при равных экстремальных температурах цикла Т1 и Т2.

Цикл Карно не реализован в тепловых двигателях с 1824г. и может использоваться только в качестве эталона оценки степени совершенства циклов, которые применяются в тепловых машинах.

Вместе с тем существует принципиальная возможность для реализации термодинамического цикла, имеющего термический КПД равный КПД цикла Карно. Таким является цикл Р. Стирлинга, состоящий из:

1. изотермического сжатия рабочего тела 1-2;

2. изохорного подвода теплоты 2-3 с перемещением рабочего тела из холодного пространства в горячее через холодильник, регенератор и нагреватель;

3. изотермического расширения 3-4;

4. изохорного отвода теплоты 4-1 с перемещением рабочего тела из горячей полости в холодную через нагреватель, регенератор и холодильник.

Принципиальная схема конструкции изобретателя и осуществления цикла Стирлинга в поршневом двигателе приведены на рис. 9 и 10, а основные фазы цикла на рис.11.

Такой цикл можно осуществить в поршневом двигателе путем подвода теплоты к рабочему телу, размещенному в цилиндре, извне через стенки цилиндра и отвода теплоты также через стенки цилиндра. В связи с этим двигатели, работающие по циклу Стирлинга, называют двигателями с внешним подводом тепла или двигателями внешнего сгорания.



Рис. 9. Схема воздушного двигателя Стирлинга (патент 1816г.)

Рис. 10. Принципиальная схема поршневого двигателя, работающего по циклу Стирлинга:

1 - нагреватель; 2 - полость расширения; 3 - полость сжатия; 4 - рабочий поршень; 5 - вытеснительный поршень; 6 - холодильник; 7 - регенератор

Нагревать и охлаждать рабочее тело путем подогрева и охлаждения стенки не выгодно и Стирлинг предложил циклически перемещать рабочее тело между пространством с постоянной высокой температурой и пространством с постоянной низкой температурой. Во избежание потери теплоты предусмотрел регенератор, в котором аккумулируется теплота при перемещении рабочего тела из горячего пространства в холодное и возвращает теплоту при обратном его ходе.



Рис. 11. Фазы движения поршней в двигателе Стирлинга

Нагревая и охлаждая попеременно рабочее тело постоянного количества, участвует в цикле в замкнутом контуре многократно, повышая температуру и давление, когда оно окажется в горячей полости и, понижая, когда окажется в холодной полости. Рабочий процесс осуществляется двумя поршнями, размещенными в одном цилиндре:

- вытеснительным перемещающим рабочее тело между горячей и холодной полостями;

- рабочим, сжимающим рабочее тело при низкой температуре и совершающим работу расширения при высоких параметрах (р,Т).

В качестве рабочего тела в двигателе могут использоваться воздух, гелий, водород. Наибольшую экономичность дает водород и наименьший - воздух. Применение гелия вместо водорода несколько снижает КПД цикла, однако повышает безопасность эксплуатации.

Изотермическое сжатие рабочего тела 1-2 реализуется в результате движения рабочего поршня от Н.М.Т. до В.М.Т. без перемещения вытеснительного поршня. Рабочее тело имеет наименьшую температуру Т2 цикла и через теплопроводные стенки холодной полости окружающей среде отдается теплота в количестве q1-2 = q2.

 q2 = q1-2 = RT2

Изохорный подвод теплоты 2-3 с соответствующим повышением давления (до р1) и температуры (до Т1) рабочего тела реализуется при движении вытеснительного поршня вниз и перемещении рабочего тела из холодного пространства в горячее через холодильник, регенератор и нагреватель.

q2-3 = СV(Т1 - Т2)

Изотермическое расширение 3-4 при наибольшей температуре цикла Т1 реализуется при совместном движении вытеснительного и рабочего поршней вниз и q3-4 = q1.

q1 = q3-4 = RT1

Изохорный отвод теплоты 4-1 осуществляется при перемещении рабочего тела из горячей полости в холодную через нагреватель, регенератор и холодильник в результате движения вытеснительного поршня в В.М.Т.

q4-1 = q2-3 = СV·(Т2 - Т1)

В связи с равенством q4-1 = q2-3 при полной регенерации теплоты теплообмен рабочего тела с внешней средой осуществляется только при изотермических процессах 1-2 и 3-4. В дальнейшем цикл повторяется.

При расчете параметров теоретического цикла Стирлинга принимаются следующие допущения:

1. в регенераторе отсутствуют тепловые потери;

2. давление рабочего тела во всех точках рабочего контура одинаково, т.е. отсутствуют гидравлические потери;

3. рабочее тело следует уравнению Клапейрона p · = mRT;

4. масса рабочего тела постоянна и утечки его отсутствуют;

5. изменение объема в цилиндре при движении поршня происходит синусандально.

Масса рабочего тела в рабочем объеме двигателя

m = m1= m2 = (44)

Так как р1= р2 = р, то давление в цилиндре будет равен

р =

Степень изотермического расширения и сжатия т =

Изменение объема в цилиндре рабочего поршня

Vmin = R1

Изменение объема в цилиндре вытеснительного поршня

Vmax = R2 ,

где R1 и R2 - радиусы кривошипов, - углы поворота коленчатого вала и опережения вытеснительного поршня относительно рабочего поршня, D1 и D2 - диаметры рабочего и вытеснительного поршней.

На рис. 12. приведены р-V - диаграмма рабочего цикла и Т-s -диаграмма цикла Стирлинга.

Рис. 12. Цикл Стирлинга

а - в р - х координатах; б - в Т-s координатах

Выражение для термического КПД цикла при полной регенерации

q4-1 = q2-3 имеет вид

= 1- q2 / q1 = 1- Т2 / Т1 (48)

Полученное выражение полностью совпадает с известным выражением для цикла Карно. Практическая реализация цикла Стирлинга требует преодоления ряда технологических трудностей. Однако при современном состоянии технологии достигнутая величина отношения Т2 / Т1 составляет 0,2, а термический КПД цикла приближается к 0,8.

Выражение для среднего давления цикла имеет вид

рц = рmax (49)

К преимуществам двигателя Стирлинга относятся высокая экономичность, малый уровень шума, многотопливность, малая токсичность выпускных газов, динамическая уравновешенность даже в одноцилиндровом исполнении. Поэтому указанные двигатели представляют особый интерес для автомобильного транспорта.

Глава 5. Паросиловые установки и компрессоры

Циклы паросиловых установок. Поршневой компрессор.

Многоступенчатый компрессор. Центробежный компрессор.

5.1 Паросиловая установка и водяной пар

Паросиловая установка (ПСУ) состоит из парового котла 1, пароперегревателя 2, рабочего тела в паровой турбины 3, конденсатора 4 и насоса 5 (рис. 13). Водяной пар, вырабатываемый в паровом котле 1 и пароперегревателя 2 используется в качестве рабочего тела в паровой турбине 3 или в качестве теплоносителя для подогрева воды для бытовых нужд, а также для парового отопления помещений.

Рис. 13. Схема ПСУ (а) и её цикл в Т-s диаграмме (б).

Термодинамический процесс в паросиловой установке происходит следующим образом: испарение воды в паровом котле 1 при начальном давлении Р1 и температуре Т1 - 4-5; перегрев пара при Р1 до температуры Т2 в точке 1-5 - 1; адиабатическое расширение пара в турбине 3 до давления Р2 - 1-2; полная конденсация пара при давлении Р2 - 2 - 2/. Образовавшийся конденсат водяным насосом 5 возвращается в котел - процесс 2 / - 3; изобара 3 - 4 - нагревание воды в котле при давлении Р1 до соответствующей температуры кипения.

По мере повышения температуры воды возрастает скорость движения ее молекул. При достижении температуры кипения во всей массе жидкости начинается образование пузырьков пара. Скорость движения молекул возрастает настолько, что все большая часть их, преодолевая силы сцепления, покидает жидкость и переходит в пространство над ней. Давление пара над жидкостью повышается. Однако, находясь в непрерывно беспорядочном движении, часть молекул из пара вновь возвращается в жидкость - конденсируется.

При конденсации давление пара над жидкостью падает. Если же скорости испарения и конденсации сравняются, наступит динамическое равновесие между водой и паром, которое приведет к устойчивости давления. В этот момент пар, находящийся над поверхностью жидкости, имеет максимальную плотность при данной температуре и называется насыщенным паром. Состояние насыщенного пара весьма не устойчиво и зависит от давления и температуры.

При температуре насыщенного пара равным температуре кипения жидкости, в нем не содержатся мельчайшие частички воды и пар, называется сухим насыщенным. Механическая смесь сухого насыщенного пара и мельчайших частичек кипящей жидкости называется влажным насыщенным паром.

Степень сухости Х и влажности 1- Х это массовые доли влаги в паре. Сухой насыщенный пар имеет степень сухости Х = 1 и степень влажности 1- Х = 0. Степень влажности кипящей воды равна единице, т.е. 1-Х = 1, а Х = 0.

Пар, имеющий более высокую температуру и одинаковое давление с сухим насыщенным паром, называется перегретым. Степень перегрева пара определяется разностью температур перегретого и сухого насыщенного пара. Для получения перегретого пара, сухой насыщенный пар отводят от соприкосновения с кипящей жидкости и, сохранив давление его, сообщают дополнительное количество теплоты до повышения его температуры до требуемого уровня перегрева.

Водяной пар, применяемый в качестве рабочего тела паровых турбин или парового двигателя по своим свойствам, отличается от идеальных газов и относится к реальным газам. Поэтому параметры водяного пара определяют не по характеристическим уравнениям Клапейрона и Менделеева, а по экспериментальным таблицам, приведенным в справочниках. Пользуясь ими, по заданному давлению сухого насыщенного пара определяют все остальные его параметры.

В паросиловых установках начальные давления пара достигают 300 кг/см2, а начальная температура - 925 К. Конечное давление цикла в конденсаторе составляет 0,035 - 0,04 кг/см2, т.е. выбирают из условия, чтобы температура конденсации была не ниже температуры окружающей среды КПД паросиловых установок достигает уровня 0,396 - 0, 427.

5.2 Циклы паросиловых установок

Цикл С.Карно состоящий из двух изотерм и двух адиабат, имеющий наибольший термический КПД, независящий от природы рабочего тела можно реально реализовать в паросиловых установках в качестве парового цикла. Однако, необходимость завершения цикла адиабатным процессом сжатия в специальном компрессоре, где пар превращается в воду с температурой равной температуре кипения в котле, приводит к утрате термодинамического преимущества цикла Карно. На привод компрессора, на потери в трениях затрачивается большая доля работы расширения пара.

На практике более выгодным оказываются процессы полной конденсации пара и подача образующей воды насосом 5 в паровой котел. Такой процесс реализуется в паровом цикле Ренкина.

Цикл Ренкина с насыщенным паром реализует процессы парообразования в котле и расширения пара в турбине, как в цикле Карно, а затем в процессе отвода теплоты в конденсаторе пар конденсируется и образуется вода с давлением и температурой ниже, чем в паровом котле. Вода питательным насосом возвращается в котел и имеет температуру ниже температуры кипения. Поэтому в цикле Ренкина предусмотрен изобарный процесс дополнительного подвода теплоты для нагревания возвращаемой воды до температуры кипения. Этот процесс реализуется в трубах водяного экономайзера, обогреваемого выходящими из топки газами. В конечном итоге цикл Ренкина оказывается более экономичным. Кроме этого габаритные размеры водяного насоса заметно меньше размеров компрессора.

Рассматриваемый цикл на практике не применяется, так как максимальная температура цикла ниже 3750С.

Цикл Ренкина с перегретым паром отличается наличием пароперегревателя 2 (рис.13.) и получил практическое применение.

Регенеративный цикл - предусматривает подогрев питательной воды после насоса одним или несколькими подогревателями, в которых циркулирует пар с высокой температурой. Пар для подогревателей отбирается из ступеней турбины после расширения на лопатках. Применение регенеративного цикла позволяет повысить экономичность паросиловой установки.

Теплофикационный цикл позволяет утилизировать теплоту, отдаваемую паром охлаждающей воде, которая используется в отопительных системах, в системе снабжения горячей водой и других целях, т.е. теплота может, в разной степени перераспределятся для получения технической работы и теплоснабжения.

Паровая установка с теплофикационным циклом применяется на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Турбина такой установки осуществляет привод генератора, вырабатывающего электрический ток, а горячая вода, нагреваемая паром в конденсаторе, используется для теплоснабжения жилых и производственных помещений.

Пар в конденсатор поступает с температурой обеспечивающей нагревания воды до температуры 70 - 1000С при заданном ее расходе. Повышение температуры пара в конденсаторе достигается путем уменьшения степени расширения пара в турбине.

Для обеспечения изменяющихся потребностей в электрической и тепловой энергии применяют цикл с регулируемым промежуточным отбором пара. Отбор организован так же как в регенеративном цикле, но пар направляется не в подогреватели, а в конденсатор. При этом работа турбины и, соответственно, вырабатываемая электрическая энергия уменьшается, а тепловая возрастает. Изменением количества отбираемого пара меняют соотношение между указанными видами энергии в зависимости от потребности на данный момент времени.

5.3 Отопительные аппараты

Водяной пар, используемый в качестве теплоносителя при нагреве воды, в теплообменных аппаратах, для горячего водоснабжения и отопительных систем жилых и производственных помещений вырабатывается в котельных агрегатах. Последние представляют собой комплексы аппаратов, служащих для выработки пара с давлением выше атмосферного.

Мощность паровых котлов определяется по их производительности: малая 2,5 - 20 т/ч при давлении пара от 13 до 39 кг/см2;средняя 50 - 120т/ч при давлении от 1,4 до 10 МПа и высокой свыше 120 т/ч.

Унифицированные котловые агрегаты малой производительности типа ДКВР предназначены для отопительно-производственных и технологических котельных и имеют следующие типоразмеры: ДКВР - 2,5 - 1,3 ; ДКВР - 4-13-250; ДКВР - 6,5-13-250; ДКВР - 10-13-250; ДКВР -10-39-440; ДКВР - 20 -13-250. Первая цифра типоразмера указывает на производительность пара в тоннах в час, а вторая - давление в кг/см2 (Па) и третья - температуру перегретого пара в 0С. Если в типоразмере отсутствует третья цифра, то данный котловой агрегат выпускает сухой насыщенный пар.

Сухой насыщенный пар из парового пространства котла, пройдя сепарационное устройство, поступает в пароперегреватель для перегрева и по паропроводу направляется к потребителю. Теплообменники для нагрева воды с помощью пара являются в основном аппаратами трубчатого типа, теплота в которых от пара к воде передается через гладкую или оребренную поверхность пучка трубок, называемую поверхностью теплопередачи. Тепловой поток, проходящий через стенку, определяется уравнением:

Ф = КТА

где Ф - тепловой поток, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(см2К); Т - средняя разность температур между паром и нагреваемой водой, К; А - площадь поверхности теплопередачи, м2.

Теплообменники являются типовыми конструкциями с разной площадью поверхности теплопередачи. Расчет их сводится к определению требуемой поверхности теплопередачи и выбору типоразмера аппарата. Исходными данными для расчета служат начальные и конечные температуры теплоносителя (пара) и нагреваемой среды (воды), количество теплоты для подогрева нагреваемого количества воды.

Начальная и конечная температура нагреваемой воды 70-100 0С при заданном ее расходе устанавливаются потребителем теплоты, а температура теплоносителя, т.е. перегретого пара при входе в аппарат равна температуре пара поступающего из магистрального паропровода. Площадь теплопередачи определяется из уравнения

А = Q/(КТ), м2.

где Q - количество теплоты для подогреваемого количества воды, Вт.

Нагретая вода по магистральным теплотрассам поступает к жилым и производственным объектам для горячего водоснабжения и питания системы отопления. От теплотрассы нагретая вода перераспределяется по объектам, где ее еще раз перераспределяют по системам - отопления каждого помещения объекта. Пройдя каждую батарею отопления и отдав часть теплоты окружающему батарею воздуху, теплая вода от каждого объекта возвращается в обратную ветвь теплотрассы, а затем и в теплообменные аппараты.

Эффективность функционирования системы отопления определяет теплозащита прямой и обратной ветвей теплотрассы, что на практике повсеместно выполняется неудовлетворительно. Протяженность магистральных паропроводов и теплотрасс от котельных составляет десятки километров. В связи с этим отмечаются очень большие потери на пути от котельных до потребителей, а проблема отопления жилых и производственных помещений, а также горячего водоснабжения превращена в весьма дорогую и трудно разрешимую проблему, как на севере, так и на юге.

Поэтому все чаще стали применять автономные малогабаритные котельные, монтируемые на крышах многоэтажных домов или индивидуальные газовые отопительные аппараты. Они позволяют решить проблему отопления и горячего водоснабжения для малоэтажных и индивидуальных домов, отдельных квартир без подключения их к теплотрассам.

На рис. 14. представлен общий вид настенного газового отопительного аппарата немецкой фирмы Vaillant марки VUW INT 242/2-3.

Технические данные отопительного аппарата VUW INT 242/2-3

1.Тепловая нагрузка - максимальная 26,7 кВт, минимальная 10,6 кВт.

2. Мощность в режиме горячего водоснабжения 24 кВт.

3. Рабочее давление в отопительной системе 1-3 кг/см2

4. Номинальный расход воды 10,32 л/ч.

5. Максимальная температура в отопительной системе 820С.

6. Диапазон регулировки температуры 35-820С.

Аппарат монтируется в стену на лоджии и подключается к замкнутой квартирной системе отопления и к водопроводу для холодного и горячего водоснабжения, а также к газопроводу и к сети электропитания. Подвод свежего воздуха для газовых горелок и отвод продуктов сгорания на улицу осуществляется по концентрическим трубам 60/100 (поз.5. на рис.13.) Открывающаяся крышка 6 одновременно является панелью для контрольно-измерительных приборов (манометра и термометра), рукояток управления и ввода в действие аппарата, светодиодных индикаторов.

Рис. 14. Общий вид настенного отопительного аппарата.

Аппарат функционирует, как в режиме отопления, так и в режиме горячего водоснабжения квартиры одновременно или независимо один режим от другого может быть отключен в любое время. При этом общая площадь отапливаемой квартиры составляет 240м2.

Автономная котельная, монтируемая во дворе или на крыше многоэтажного дома, комплектуется аналогичными аппаратами, и количество их зависит от суммарной площади отапливаемых квартир конкретного дома.

5.4 Компрессоры

Компрессорами называются машины, предназначенные для сжатия газообразных тел. Они имеют широкое применение, являются основным элементом автомобильного двигателя с наддувом, систем пневматических тормозов автомобилей, систем регулирования и изменения давления в шинах.

Теория и конструкционные особенности различных типов компрессоров рассматриваются в специальном курсе. Термодинамические основы их работы одинаковы. Анализ их целесообразно выполнить для поршневого компрессора, принцип действия которого представлен на рис. 15.

Рис. 15. Принцип действия поршневого компрессора.

Воздух при давлении Р1 всасывается в цилиндр по изобаре А-В. Затем воздух подвергается сжатию по изотерме или адиабате или политропе сжатия В-С, В-С1, В-С2 соответственно.

Сжатый в цилиндре воздух при давлении Р2 нагнетается в резервуар по изобаре Д-С, или Д-С1 или Д-С2. В ходе сжатия отвод тепла обеспечивается охлаждением стенок цилиндра водой. Обычно в компрессорах осуществляется политропическое сжатие с показателем политропы n = 1,2 - 1,25. Температура сжатого воздуха определяется по формуле

Т2 = Т1 (Р2/Р1)

Одноцилиндровый компрессор применяется для получения сжатого воздуха давлением Р2 равным или не более 8 - 12 кг/см2. Для получения более высоких давлений одноступенчатый компрессор не используют из-за снижения производительности и ухудшения условий смазки.

...