Теоретические основы энергетических установок Второй

Лекция №2 Теоретические основы энергетических установок Второй
закон термодинамики. Анализ теоретических циклов ЭУТТ
Согласно второму закону термодинамики теоретический цикл ДВС с
предварительным сжатием включает следующие физические процессы:
1. Предварительное сжатие – происходит по мере перемещения поршня от
НМТ к ВМТ.
2. Подвод теплоты к рабочему телу (газ). Для обобщенного цикла, часть
теплоты подводится при постоянном объеме и положении поршня в ВМТ,
вторая часть при постоянном давлении на участке предварительного
расширения.
3. На участке перемещения поршня от ВМТ к НМТ подведенная часть
тепловой энергии используется на перемещение поршня и превращения
его прямолинейного движения во вращательное движение коленчатого
вала (механическая работа).
4. По мере достижения НМТ, согласно второму закону термодинамики,
часть тепловой энергии должна быть отведена от рабочего тела с резким
понижением давления и температуры. В дальнейшем процессы цикла
повторяются. При этом положительная работа расширения всегда больше
работы сжатия. Избыточная часть положительной работы расширения
используется для совершения положительной полезной работы.
Таким образом, все физические процессы в теоретическом цикле ДВС
совершаются за один оборот коленчатого вала и два хода (2 такта) поршня.
Условно принимается, что процессы сжатия и расширения при
теоретическом анализе протекают без теплообмена со стенками цилиндра, и
следует считать адиабатными.
Замена рабочего тела и его утечка, через зазоры сопрягаемых
элементов поршень-цилиндр, не предусматривается.
Технический анализ термодинамического цикла ДВС.
Термодинамический цикл ДВС представляет собой совокупность
принятых термодинамических процессов, повторяющихся в установленной
последовательности для превращения тепловой энергии в механическую
работу.
Различают три основных типа таких двигателей.
1. Двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме, V=const.
2. Двигатели с постепенным подводом теплоты при постоянном давлении,
на участке предварительного расширения.
3. Двигатели со смешанным подводом теплоты, где первая часть теплоты –
g1’ подводится при постоянном объеме, вторая часть – g1” постепенно
поступает при поддержке постоянного давления.
Технический анализ и сравнение термодинамических циклов позволяет
выявить основные и текущие факторы, которые в каждом конкретном случае
определяют его эффективность.
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (рисунок1).
Такой тип двигателя предусматривает мгновенный подвод теплоты после
завершения процесса сжатия при положении поршня в ВМТ.
КПД такого цикла определяется зависимостью:

t
 1

1
k 1
Анализ приведенной зависимости показывает, что к.п.д. такого цикла
определяется принятым и допустимым значением степени сжатия  и
значением показателя адиабаты сжатия. Значение показателя зависит от
природы газа.
Рисунок 1 – Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме.
Рис.2 КПД цикла ДВС при изменении степени сжатия
На рис. 2 представлена зависимость изменения КПД цикла в
определенном диапазоне изменения степени сжатия и двух значений
показателя адиабаты к.
Его значение зависит от природы газа, который используется в качестве
рабочего тела. Для воздуха, как газа состоящего из смеси 2-х атомных газов
(О2 и N2) k =1.41. Для продуктов сгорания топливно-воздушной смеси
среднему показателю адиабаты присваивается значение k =1.3.
С учетом особенностей организации рабочего цикла для данного типа
двигателя, анализ зависимости для определения КПД цикла показывает, что
основным фактором, обеспечивающим повышение его эффективности,
является использование более высоких значений степени сжатия.
Однако следует иметь в виду, что для двигателей с внешним
смесеобразованием и искровым зажиганием предельные значения степени
сжатия ограничены, качеством и техническими характеристиками топлива,
до 9...10 единиц.
Важно также отметить, что КПД цикла, в данном случае, не зависит от
количества подведенной теплоты, т.е. от степени загрузки двигателя.
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении
( рисунок 3).
Рисунок 3 – Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении
КПД такого цикла определяется зависимостью

t
k 1

1
 1

k 1 k     1



Представленное выражение показывает, что КПД рассматриваемого
цикла зависит от принятых допускаемого значения степени сжатия, значения
показателя адиабаты k и длительности участка предварительного
расширения, который определяет количество подведенной теплоты и степень
загрузки двигателя.
Зависимость изменения КПД цикла - t при изменении выше
перечисленных параметров представлена на рисунке 4.
Анализ представленных результатов показывает, что КПД возрастает с
повышением степени сжатия и при более высоких значениях показателя
адиабаты k, в соответствии с родом рабочего тела.
Рисунок.4 – КПД цикла ДВС при изменении  и различных значениях
степени сжатия и показателя адиабаты.
C ростом нагрузки и повышением степени предварительного
расширения КПД цикла, для данного типа двигателя, снижается.
Значения степени сжатия для такого типа двигателей ограничивается
только предельно-допустимыми значениями максимального давления. Такие
значения не могут превышать значения Pz max  12...13 МПа.
Цикл со смешанным подводом теплоты. На рисунке. 5 представлен
цикл теплового двигателя со смешанным подводом теплоты.
Такой тип теплового двигателя предусматривает, что первая часть теплоты
(желательно большая) подводиться после завершения процесса сжатия при
постоянном объеме и положении поршня в ВМТ. Сопровождается резким
нарастанием силы давления Pz max  10...12 МПа

t
 1
1
 k 1


   k 1
 1  k  (   1)
. Вторая часть тепло подводится на участке начала предварительного
расширения.
КПД такого цикла определяется из выражения
Рисунок.5 – Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты
Такой тип теплового двигателя предусматривает, что первая часть теплоты
(желательно большая) подводиться после завершения процесса сжатия при
постоянном объеме и положении поршня в ВМТ. Сопровождается резким
нарастанием силы давления Pz max  10...12 МПа. Вторая часть тепло
подводится на участке начала предварительного расширения.
КПД такого цикла определяется из выражения

t
 1
1
 k 1


   k 1
 1  k  (   1)
Следует отметить, что такой тип теплового двигателя, наиболее близко
отражает характер протекания процесса подвода теплоты в реальных
условиях. КПД такого цикла имеет более сложную зависимость. Его
значение также возрастает с повышением степени сжатия и
при
использовании в качестве рабочего тела вида газа с более высоким значением
показателя адиабаты k. В тоже время влияние значения  и  является
противоположным и, следовательно, зависит от количества подводимой
теплоты и его распределения по участкам. При увеличении количества
теплоты подводимой на участке с предварительным расширением КПД
цикла будет снижаться. Увеличение количества теплоты подводимой на
первом участке ограничивается предельно-допустимым значением
максимального давления. Таким образом, общее количество теплоты можно
распределять более эффективно с учетом загрузки двигателя. То есть при
работе двигателя на максимальных нагрузках максимальная допустимая доля
теплоты должна подводится на первом участке, вторая часть соответственно
на участке предварительного расширения.
При понижении загрузки двигателя, обеспечение повышения КПД
цикла можно достичь путем перераспределения. Большая часть должна
подводится на первом участке с сохранением максимального значения , а
уменьшение загрузки выполняется за счет снижения количества подводимой
теплоты на втором участке. Уменьшая количество теплоты подводимой на
участке расширения до нуля, получим   1 и КПД цикла становится
независимым от количества подведенной теплоты. Его значение становится
максимальным, при условии сохранения всех других параметров цикла.
Такая сложная зависимость хорошо отражается графически на основе
результатов расчетов, рисунок.6.
Рисунок.6 – Зависимость КПД цикла ДВС при различных соотношениях
 и  при различных значениях количества подведенной теплоты.