Технические системы целесообразно разделить на три класса:
1) Преобразования энергии;
2) Преобразования вещества и энергии;
3) Производства изделий.
1.2.6.1 Технические системы преобразования энергии
Это закрытые термодинамические системы, в которых как на входе, так и на выходе отсутствуют потоки вещества и через контрольную поверхность проходят только потоки энергии разного вида.
Соответственно в обоих частях уравнения эксергетического баланса системы (1.4) не будет членов, относящихся к потокам вещества ( 
).
К таким системам относят те, в которых протекает замкнутый процесс – цикл: тепловые насосы, холодильные установки.
Вместе с тем при анализе внутренних процессов преобразования энергии (внутри контрольной поверхности) в таких системах следует учитывать энергию и эксергию потоков вещества.
1.2.6.2 Технические системы преобразования вещества и энергии
Это открытые термодинамические системы, в которых как на входе, так и на выходе могут быть потоки и вещества, и энергии (например, эжектор, теплообменник). По существу это скорее отдельные элементы изучаемых термодинамических систем.
1.2.6.2 Технические системы производства изделий
В технических системах производства изделий на выходе получается такая продукция, ценность которой нельзя измерить в энергетических единицах – книги, автомобили, колбаса.
Однако, в технологической цепочке производства можно выделить элементы (подсистемы), в которых на входе и выходе имеются только потоки вещества и энергии. В этом случае производится оценка термодинамической эффективности (эксергетическим методом) и совершенствование соответствующих подсистем, а, следовательно, и системы в целом.
1.3 Термодинамический анализ и его приложение к техническим системам
Эксергетический баланс технической системы и ее частей определяет все происходящие в ней превращения энергии и веществ.
С помощью эксергетического баланса возможно определить:
1) Распределение и характеристики потерь;
2) Значения КПД отдельных частей и системы в целом;
3) Долю каждой части и характеристики связей между ними;
4) Взаимодействие системы с окружающей средой.
Эта информация может служить для дальнейшей работы по усовершенствованию системы.
Особое значение имеет раздельное определение внутренних 
и внешних 
потерь эксергии.
– отражают несовершенство внутренних преобразований вещества и энергии в системе.
– отражают несовершенство преобразований вещества и энергии при взаимодействии системы с окружающей средой.
Эксергетический баланс дает возможность установить предельные значения, до которых может быть снижена эксергиявещества и энергии на выходе из системы для получения заданного результата.
В идеальном случае, достижение максимального эксергетического КПД, согласно уравнению (1.3), 
, возможно при отсутствии потерь эксергии 
.
Минимальное значение 
определяется технически достижимым 
.
Анализ технических систем на основе эксергетического баланса возможен на всех стадиях проектирования и эксплуатации систем с целью их оптимизации.
Термодинамическая оптимизация системы сводится к тому, чтобы, изменяя те или иные ее параметры или структуру, получить как можно большую ее термодинамическую эффективность, т.е. максимальный .
Термодинамическая оптимизация не всегда должна проводиться на базе эксергетического баланса.
Существует ряд систем, например, теплосиловые паротурбинные и газотурбинные установки, предназначенные только для выработки механической энергии (преобразуемой затем в электрическую).
В этом случае эффективный термический КПД 
(определенный как отношение мощности на выходе к теплотворной способности топлива на входе) будет мало отличаться от эксергетического КПД .
По сути, эффективный термический КПД является коэффициентом преобразования энергии в теплосиловой установке, и его экстремум будет находиться там же, где экстремум .
ТДЭФФ-2
ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Общие сведения
До 70-80-х годов 19 века единственным источником механической работы являлась паровая машина с низким термическим КПД установки.
Машины, где топливо сжигается непосредственно в цилиндре под поршнем, наз. двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
В 1877 г. немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель.
В 1897 г. немецкий инженер Дизель разработал двигатель высокого сжатия, работавший на керосине, который распылялся в цилиндре воздухом высокого давления от компрессора.
Инженер Мамин в 1893 г. создал двигатель высокого сжатия, работавший на сырой нефти при бескомпрессорном механическом распылении топлива.
В 1904 г. русский инженер Тринклер построил бескомпрессорный двигатель, в котором сгорание топлива сначала происходило при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель со смешенным сгоранием топлива получил широкое распространение во всем мире.
Все современные поршневые ДВС разделяют на 3 группы:
1) С быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме 
;
2) С постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении 
;
3) Со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении .
При исследованиях идеальных термодинамических циклов поршневых ДВС обычно определяют:
Ø Количество подведенной и отведенной теплоты;
Ø Основные параметры состояния в типичных точках цикла;
Ø Термический КПД цикла;
Ø Производят анализ термического КПД.
Основными характеристиками или параметрами любого цикла ДВС являются следующие безразмерные величины:
С т е п е н ь с ж а т и я:
(2.1)
Отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия.
С т е п е н ь п о в ы ш е н и я д а в л е н и я:
(2.2)
Отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты.
С т е п е н ь п р е д в а р и т е л ь н о г о р а с ш и р е н и я или с т е п е н ь и з о б а р н о г о р а с ш и р е н и я:
(2.3)
Отношение объемов в конце и в начале изобарного подвода теплоты.
2.2 Цикл с подводом теплоты в процессе
Исследование работы реального поршневого двигателя производят по индикаторной диаграмме, на которой приводится изменение давления в цилиндре, в зависимости от положения поршня за весь цикл.
Рис. 2.1 Индикаторная диаграмма реального поршневого двигателя с быстрым сгоранием топлива при
В качестве топлива в таких двигателях применяют легкие топлива: бензин, спирт, генераторный или светильный газ.
0-1 – линия всасывания. При ходе поршня из левого «мертвого» положения в крайне правое – засасывается горючая смесь, состоящая из паров, мелких частиц топлива и воздуха. 0-1 – не является термодинамическим процессом – не изменяются основные параметры, изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре.
1-2 – линия сжатия. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие смеси.
В т.2, когда поршень немного не дошел до левого «мертвого» положения – происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры.
2-3 – почти мгновенное сгорание горючей смеси (практически при постоянном объеме). В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается – т.3
3-4 – линия расширения. Поршень перемещается в правое «мертвое» положение – газы расширяются и совершают полезную работу.
В т.4 открывается выхлопной клапан и давление в цилиндре падает почти до наружного давления.
4-0 – линия выхлопа. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении несколько превышающем атмосферное.
Рабочий процесс реального двигателя совершается за четыре хода поршня – такта или за два оборота вала. Такие ДВС наз. четырехтактными.
Цикл реального ДВС не является замкнутым и состоит из необратимых процессов, т.к. имеют место:
¾ Трение;
¾ Химические реакции в рабочем теле;
¾ Конечные значения скоростей поршня;
¾ Теплообмен при конечной разности температур, и т.д.
Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен.
Поэтому термодинамика исследует идеальные циклы ДВС, состоящие из обратимых процессов.
Допущения при исследованиях:
1. Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью;
2. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела;
3. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется не за счет сжигания топлива, а от внешних источников;
4. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом - бесконечно мала;
5. Разность температур между приемником теплоты и рабочим телом - бесконечно мала;
Изучение идеальных термодинамических циклов позволяет производить при принятых допущениях анализ и сравнение работы различных ДВС, их экономичность.
|
|
Рис. 2.2 Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты в процессе в pv- TS-координатах
Рассмотрим идеальный термодинамический цикл, состоящий из двух изохор и двух адиабат.
Идеальный газ с начальными параметрами p 1, v 1, и T 1 сжимается по адиабате 1-2 то т.2.
По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты q 1.
Рабочее тело расширяется по адиабате 3-4.
По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние и при этом отводится теплота q 2 в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются: степень сжатия и степень повышения давления .
Определяем термический КПД цикла, считая, что изохорная теплоемкость 
и величина k постоянны:
Количество подведенной теплоты:
,
Количество отведенной теплоты:
Тогда термический КПД цикла:
(2.4)
Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:
В точке 2:
В точке 3:
В точке 4:
Подставив найденные значения температур в уравнение (2.4), получим:
(2.5)
Из уравнения (2.5) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия 
и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. От степени повышения давления 
КПД этого цикла не зависит.
В таблице 2.1 приведены величины термического КПД цикла с быстрым сгоранием топлива при при различных значениях и k.
Таблица 2.1
|
|
| |
| k = 1,35 | k = 1,4 | |
| 3 | 32,0 | 36,0 |
| 4 | 38,0 | 43,0 |
| 5 | 42,5 | 47,5 |
| 6 | 46,5 | 51,5 |
| 7 | 49,4 | 55,0 |
| 8 | 51,7 | 57,0 |
| 10 | 55,2 | 61,5 |
По TS-диаграмме КПД определим из соотношения площадей:
При равенстве количеств теплоты, подведенных в двух циклах, пл. 67810 = пл. 6235, но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, т.к. в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты:
Увеличение степени сжатия ограничивается опасностью преждевременного воспламенения смеси, а также высокой скорости сгорания, что может вызвать детонацию (взрывное горение).
Для каждого топлива должна применяться оптимальная степень сжатия. В зависимости от вида топлива степень сжатия в этих двигателях:
КПД двигателей с подводом теплоты при 
невысок.
Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела:
(2.6)
Величину 
наз. средним индикаторным давлением. Это условное постоянное давление под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего цикла.
Для цикла с подводом теплоты при среднее индикаторное давление:
(2.7)
возрастает с увеличением: 
; ; .
Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела также:
(2.8)
2.3 Цикл с подводом теплоты в процессе
Исследование циклов с подводом теплоты при показало, что для повышения экономичности таких двигателей необходимо применять высокие степени сжатия.
Степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси.
Если произвести раздельное сжатие воздуха и топлива – это ограничение отпадает.
Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких запальных приспособлений.
Раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешовое топливо – мазут, нефть, смолы, каменноугольные масла.
Такое раздельное сжатие воздуха и топлива осуществляется в двигателях, работающих с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении.
Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора.
Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия: (до 
) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива.
Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается регулировкой топливной форсунки ( ДВС Дизеля).
Рассмотрим идеальный цикл ДВС с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении и с подводом теплоты при .
Рис. 2.3 Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты в процессе в pv- TS-координатах
Идеальный газ с начальными параметрами p 1, v 1, и T 1 сжимается по адиабате 1-2 то т.2.
По изобаре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты q 1.
От т.3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4.
По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние и при этом отводится теплота q 2 в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются: степень сжатия и степень предварительного расширения .
Определяем термический КПД цикла, считая, что теплоемкости 
и 
, а также величина k = 
постоянны:
Количество подведенной теплоты:
,
Количество отведенной теплоты:
Тогда термический КПД цикла:
(2.8)
Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:
В точке 2:
В точке 3:
В точке 4:
Подставив найденные значения температур в уравнение (2.8), получим:
(2.9)
Из уравнения (2.9) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия , показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела и степени предварительного расширения 
. С увеличением и k – КПД этого цикла увеличивается, а с увеличением 
– уменьшается.
В таблице 2.2 приведены величины термического КПД цикла с подводом теплоты при при различных значениях и при k = 1,35.
Таблица 2.2
|
|
|
|
| |
При 
| При 
| |||
| 10 | 52,0 | 46,0 | - | - |
| 12 | 54,0 | 49,0 | 25,7 | 907 |
| 14 | 57,0 | 52,0 | 31,8 | 956 |
| 16 | 59,0 | 54,0 | 41,4 | 1020 |
| 18 | 61,9 | 56,7 | - | - |
| 20 | 63,0 | 56,0 | - | - |
, бар
, К
По TS-диаграмме КПД определим из соотношения площадей:
При равенстве площадей отведенной теплоты в теплоприемник (пл.5146), КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, т.к. площадь его полезной работы будет больше:
Для цикла с подводом теплоты при среднее индикаторное давление:
(2.10)
возрастает с увеличением: и .
Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела за один цикл:
(2.11)
2.4 Цикл с подводом теплоты в процессе при и , или цикл со смешанным подводом теплоты
Двигатели с постепенным сгоранием топлива при имеют ряд недостатков:
§ На работу компрессора (для подачи топлива) расходуется 6 – 10% мощности двигателя;
§ Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность работы двигателя;
§ Сложные устройства насоса и форсунки;
§ Установка имеет значительнеый вес.
Г.В. Тринклер создал бескомпрессорный двигатель высокого сжатия с механическим распылением топлива при давлениях 500-700 бар, лишенный недостатков обоих приведенных типов двигателей.
Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра (или в специальную предкамеру) в виде мельчайших капелек.
Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при , а затем при .
Рис. 2.4 Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты в процессе при и в pv- TS-координатах
Идеальный газ с начальными параметрами p 1, v 1, и T 1 сжимается по адиабате 1-2 то т.2.
По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается первая доля теплоты q 1 ′.
По изобаре 3-4 подводится вторая доля теплоты q 1 ′′.
От т.4 рабочее тело расширяется по адиабате 4-5.
По изохоре 5-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние в т.1 и при этом отводится теплота q 2 в теплоприемник.
Характеристиками цикла являются: степень сжатия , степень повышения давления и степень предварительного расширения 
.
Определяем термический КПД цикла, считая, что теплоемкости и , а также величина k = постоянны:
Первая доля подведенной теплоты:
,
Вторая доля подведенной теплоты:
Количество отведенной теплоты:
Тогда термический КПД цикла:
(2.12)
Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:
В точке 2:
В точке 3:
В точке 4:
В точке 5:
Подставив найденные значения температур в уравнение (2.13), получим:
(2.14)
Из уравнения (2.14) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия , степени повышения давления , степени предварительного расширения и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела.
С увеличением , и k – КПД этого цикла увеличивается, а с увеличением – уменьшается.
По TS-диаграмме КПД определим из соотношения площадей:
Для этих двигателей обычно принимают:
= 10 – 14;
= 1,2 – 1,7;
= 1,1 – 1,5;
Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела за один цикл:
(2.15)
Для цикла со смешанным подводом теплоты среднее индикаторное давление:
(2.16)
Дата: 2019-02-25, просмотров: 244.
