Газовые циклы

Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Прямые газовые изохорные и изобарные циклы неполного расширения. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей. Процессы, происходящие в поршневых компрессорах.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

Все термодинамические циклы можно разделить на две основные группы:

Циклы тепловых двигателей - прямые циклы.

Циклы тепловых машин-орудий - обратные циклы.

Первая группа прямых циклов в результате их совершения дает положительную результирующую работу, которая может быть использована каким-либо потребителем, и для своего осуществления требует затраты тепла. Вторая группа обратных циклов тепловых машин-орудий требует для своего совершения затраты механической работы.

Будем рассматривать идеальные циклы, т.е. обратимые равновесные термодинамические циклы. В этих циклах встречаются только обратимые термодинамические процессы подвода или отвода тепла. Никакие процессы сгорания, наполнения, выпуска газов и прочие в подобных термодинамических циклах не рассматриваются, т.к. все это процессы реальных тепловых двигателей. Поэтому будем полагать, что все рассматриваемые циклы совершаются в идеальных тепловых машинах, в частности, прямые циклы в идеальных тепловых двигателях, в которых совершаются обратимые равновесные термодинамические процессы, следовательно, отсутствуют реальные потери на трение, теплопередачу и др. В качестве рабочего тела здесь принимают идеальный газ, процессы сжатия и расширения термодинамического рабочего тела (ТРТ) в цикле происходят по адиабате. В данном разделе будем рассматривать лишь газовые циклы.

1. Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

1.1 Прямой газовый изохорный цикл неполного расширения

Будем полагать, что данный цикл совершается в тепловом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, основным элементом которого является цилиндр с поршнем.

На рис. 1 представлена схема четырехтактного теплового двигателя с внешним смесеобразованием, работающего по изохорному циклу неполного расширения и индикаторная диаграмма этого двигателя.

При работе двигателя поршень I совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре II, на головке которого установлены всасывающий III и выпускной IV клапаны.

Процесс 1-а - процесс всасывания, поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ), при этом открывается всасывающий клапан и в цилиндр подается горючая смесь, состоящая из воздуха и топлива. В качестве топлива в таком типе двигателя применяются бензин, спирты, светильный или генераторный газ и др. («легкое топливо»).

ВМТ IIMT '

Рис. 1

Процесс а-с - процесс сжатия, поршень в этом процессе движется от НМТ до ВМТ, всасывающий клапан при этом закрывается, давление горючей смеси возрастает.

Процесс c-z - процесс сгорания смеси, который, считается, происходит мгновенно, т.е. без изменения объема (поршень не успевает переместиться). В этом процессе тепло подводится к рабочему телу, давление и температура повышаются.

Процесс z-b - процесс расширения продуктов сгорания, поршень при этом движется от ВМТ до НМТ, совершая работу расширения, давление и температура продуктов сгорания в этом процессе уменьшаются.

Процесс Ь-1 - процесс выталкивания продуктов сгорания из цилиндра в окружающую атмосферу, поршень при этом движется от НМТ до ВМТ, выпускной клапан IV открывается, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра.

Далее цикл повторяется - процесс 1-а - процесс всасывания горючей смеси и т.д. Из рассмотрения индикаторной диаграммы реального поршневого двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием видно, что реальный цикл такого двигателя является фактически незамкнутым, рабочее тело по окончании цикла выбрасывается в окружающую атмосферу.

Термодинамический анализ такого реального цикла весьма затруднен, поэтому на практике для анализа работы двигателя используют идеальные обратимые замкнутые термодинамические циклы, рабочим телом в которых является идеальный газ, причем будем полагать, что подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешних источников тепла, а не за счет сгорания топлива.

Идеальным циклом двигателя с внешним смесеобразованием является изохорный цикл неполного расширения, который изображен на рис. 2 в координатах pv и Ts.

Рис. 2

Итак, прямой газовый изохорный цикл неполного расширения - это равновесный газовый цикл, состоящий из двух изохорных и двух адиабатных процессов при условии, что источник тепла по изохоре подогрева не имеет теплового сообщения с холодильником по изохоре охлаждения.

Данный цикл осуществляется следующим образом. 1 кг идеального газа с параметрами (ра, Та, va) сжимается по адиабате а-с, в результате чего давление и температура газа увеличиваются. Далее в изохорном процессе c-z, к газу извне от источника подводится некоторое количество тепла q\, при этом давление и температура газа увеличиваются. Затем газ расширяется по адиабате z-b, давление и температура газа в этом процессе уменьшаются. И, наконец, в изохорном процессе b-а тепло qi отводится в холодильник, давление и температура газа уменьшаются, рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате совокупности этих процессов совершается прямой замкнутый цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в ри-и Ts- координатах определяется площадью aczba. Эта работа и передается потребителю.

Итак, газовый изохорный цикл - это цикл, в котором процессы изменения объемов протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. адиабатно, а процессы теплообмена - без изменения объема.

1.2 Прямой газовый изобарный цикл неполного расширения

Изобарный цикл неполного расширения - это цикл, состоящий из изобарного, двух адиабатных и изохорного процессов при условии, что источник тепла по изобаре не имеет теплового сообщения с холодильником по изохоре. Этот цикл является идеальной схемой циклов компрессорных дизелей.

По-прежнему будем считать, что данный цикл совершается в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом.

На рис. 3 изображен идеальный газовый изобарный цикл неполного расширения в координатах pv и Ts. Данный цикл осуществляется следующим образом. 1 кг идеального газа с начальными параметрами (ра, Та, va) сжимается по адиабате а-с, в результате чего давление и температура газа увеличивается. Затем в изобарном процессе c-z к газу подводится некоторое количество тепла q\ от источника, температура и объем газа при этом увеличиваются. Далее газ расширяется по адиабате z-b, давление и температура газа в этом процессе уменьшаются, причем давление в конце процесса расширения больше, чем давление в начальной точке цикла рь>ра (цикл неполного расширения). И, наконец, в изохорном процессе b-а происходит отвод тепла q2 в холодильник, давление и температура газа при этом уменьшаются, рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате совокупности этих процессов, совершается цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в pv- и Ts-координатах определяется площадью aczba. PI



1.3 Прямой газовый смешанный цикл неполного расширения

Смешанный цикл - это цикл, состоящий из изобарного, двух изохорных и двух адиабатных процессов при условии, что источники тепла по изохоре и изобаре не имеют теплового сообщения с холодильником по изохоре. Этот цикл является идеальной схемой циклов бескомпрессорных дизелей.

Рис. 4

На рис. 4 изображен идеальный газовый смешанный цикл неполного расширения в координатах pv и 7s. Цикл осуществляется следующим образом.

1 кг идеального газа с начальными параметрами (ра, Та, va) сжимается по адиабате а-с, давление и температура газа в этом процессе увеличиваются. Затем к газу подводится тепло, сначала в изохорном процессе (с-у) - q\v, потом в изобарном процессе (y-z) - q\p. Далее газ расширяется по адиабате z-b, давление и температура газа в этом процессе уменьшаются. Давление в конце процесса расширения больше, чем давление в начале процесса сжатия рь>ра (цикл неполного расширения). Затем в изохорном процессе b-а происходит отвод тепла в холодильник, давление и температура газа при этом уменьшаются, рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате совокупности этих процессов совершается цикл с положительной результирующей работой (/>0), которая в pv- и Ts- координатах определяется площадью acyzba. Итак, в рассмотренном цикле тепло подводится по изохоре и по изобаре, поэтому этот цикл называется смешанным.

2. Термодинамические циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей

Существенным недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания без турбонаддува является их ограниченная мощность и невозможность полного адиабатного расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, т.е. во всех обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания без турбонаддува осуществляются циклы неполного расширения.

Газотурбинные установки (ГТУ) и реактивные двигатели лишены этих недостатков, т.к. устройство и особенности работы обеспечивают им высокие удельные мощности и возможность полного адиабатного расширения рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, т.е. в ГТУ и реактивных двигателях осуществляются термодинами...