Циклы тепловых двигателей и установок

1.2 Циклы тепловых двигателей и установок

Круговой цикл (процесс) – это такой процесс, при котором газ (т.е. рабочее тело) после ряда изменений возвращается в исходное состояние.

Круговые процессы осуществляются в тепловых двигателях как процессы, периодически повторяющиеся. В системе p-v координат круговые процессы всегда замкнуты.

Рассмотрим изменение состояния газа в непрерывно работающем тепловом двигателе. Допустим, что газ с начальными параметрами, характеризующимися точкой 1 (рис. 2), вводится в соприкосновение с источником тепла, в результате чего газ расширяется до конечного состояния, характеризуемого точкой 2.

В процессе расширения газ совершает работу, измеряемую площадью 1-1′-2-3-4-1. Если газ сжимать при той же температуре, при которой он расширялся, то работа, затрачиваемая на сжатие, будет равна работе, получаемой при расширении, и в результате такого процесса работа будет равна нулю.

Следовательно, процесс сжатия необходимо вести при меньшей температуре, чем процесс расширения, т.е. при сжатии газ следует охлаждать.

Работа, затраченная на сжатие, изображается площадью 2-2′-1-4-3-2. в результате кругового процесса получается полезная работа, равная разности работ расширения и сжатия, которая изображается площадью 1-1′-1-4-3-2, ограниченной замкнутой кривой обоих процессов.

Для осуществления кругового процесса (цикла) и получения полезной работы необходимо к газу в процессе расширения подвести тепло , а в процессе сжатия отвести от него тепло .

Так как в круговом процессе конечное и начальное состояния газа совпадают, то изменение внутренней энергии газа за цикл равно нулю, т.е. .

На совершение полезной работы в круговом процессе затрачивается количество тепла q=q₁-q₂, где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно.

Процесс на рисунке 2 называют прямым, и он направлен по часовой стрелке. Прямые циклы имеют место в тепловых двигателях.

Экономичность цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.), обозначаемым  и равным отношению тепла, превращенного в полезную работу, к подведенному теплу, т.е.

.

где q₁ и q₂ - количество подведенного и отведенного тепла соответственно. Данное уравнение показывает, что к.п.д. не может быть больше или равен единице, т.к. ни q₂ ни q₁ не могут быть равны нулю.

1.3 Коэффициент избытка воздуха, степень сжатия

В зависимости от организации рабочего процесса двигателя соотношение между количествами воздуха и топлива может изменяться. При теоретических расчетах получают необходимое для горения количество воздуха, но на практике подводят большее количество. Отношение действительного количества воздуха (), подводимого в процессе горения, к теоретически необходимому (), называется коэффициентом избытка воздуха

.

Он характеризует качество горючей смеси. При увеличении α смесь делается более бедной. Полным сгоранием топлива называется такое сгорание, при котором все горючие части топлива превращаются в конечные продукты окисления.

Число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания называют степенью сжатия. Степень сжатия можно найти через отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания и обозначают:

,

где  - полный объем цилиндра,  - объем камеры сгорания,  - рабочий объем.

2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОРШНЕВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

2.1 Классификация двигателей внутреннего сгорания

Двигателем внутреннего сгорания называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

ДВС можно разделить на:

·  газовые турбины;

·  поршневые двигатели;

·  реактивные двигатели.

В газовых турбинах сжигание топлива производится в специальной камере сгорания. Газовые турбины, имеющие только вращающиеся детали, могут работать с высоким числом оборотом. Основным недостатком газовых турбин являются невысокая экономичность и работа лопаток в среде газа с высокой температурой.

В поршневом двигателе топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в объем цилиндра двигателя. Образующиеся при сгорании газы имеют высокую температуру и создают давление на поршень, перемещая его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается коленчатому валу, установленному в картере, и преобразуется во вращательное движение вала.

В реактивных двигателях мощность увеличивается с повышением скорости движения. Поэтому они распространены в авиации. Недостаток таких двигателей в высокой стоимости.

Наиболее экономичными являются ДВС поршневого типа. Но наличие кривошипно-шатунного механизма, который усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов, является их недостатком.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам:

1. по способу смесеобразования:

а) двигатели с внешним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется вне цилиндра. Примером таких двигателей служат газовые и карбюраторные.

б) двигатели с внутренним смесеобразованием, когда горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра. Например, двигатели на дизеле и двигатели с впрыском легкого топлива в цилиндр.

2. по виду применяемого топлива:

а) двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензине, лигроине и керосине);

б) двигатели, работающие на тяжелом жидком топливе (соляровом масле и дизельном топливе);

в) двигатели, работающие на газовом топливе (сжатом и сжиженном газах).

3. по способу воспламенения горючей смеси:

а) двигатели с воспламенением горючей смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые и с впрыском легкого топлива);

б) двигатели с воспламенением топлива от сжатия (дизели).

4. по способу осуществления рабочего цикла:

а) четырехтактные. У этих двигателей рабочий цикл совершается за 4 хода поршня или за 2 оборота коленчатого вала;

 б) двухтактные. У этих двигателей рабочий цикл в каждом цилиндре совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

5. по числу и расположению цилиндров:

а) двигатели одно- и многоцилиндровые (двух-, четырех-, шести-, восьмицилиндровые и т.д.)

б) двигатели однорядные (вертикальные и горизонтальные);

в) двигатели двухрядные (V-образные и с противолежащими цилиндрами).

6. по способу охлаждения:

а) двигатели с жидкостным охлаждением;

б) двигатели с воздушным охлаждением.

7. по назначению:

а) двигатели транспортные, устанавливаемые на автомобилях, тракторах, строительных машинах и других транспортных машинах;

б) двигатели стационарные;

в) двигатели специального назначения.

2.2 Топливо для двигателей. Свойства и физико-химические характеристики. Теплота сгорания топлива

Действительный рабочий цикл ДВС осуществляется в результате выделения теплоты при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.

В качестве топлива для двигателей используют жидкие нефтепродукты (бензин, дизтоплива, тяжелое дизельное топливо) и горючие газы, основную часть которых составляют углеводороды.

Топливо и воздух на горение в зависимости от физических свойств топлива вводится в цилиндр двигателя совместно или раздельно.

При проектировании нового двигателя обязательно указывается вид топлива. Для характеристики конструктивных особенностей двигатели часто называют по роду используемого топлива (газообразные, бензиновые).

В зависимости от физического состояния и метода получения газообразного топлива различают сжиженный газ (смеси углеводородов, которые при 20 С и давлении 760 мм рт.ст. газообразны, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость), сжатый газ, генераторный газ и т.п. Выбор газа в качестве топлива для ДВС определяется его способностью к воспламенению и скоростью распространения пламени в газо-воздешной смеси.

Жидкое топливо получается в основном в результате переработки нефти. Нефтяное жидкое топливо состоит в основном из углерода 85-87%, водорода 12-15%, кислорода 0-0,5%. Жидкие топлива делят на топлива для карбюраторных двигателей и для двигателей с воспламенением от сжатия (дизеля).

Бензин — основной вид топлива для карбюраторных двигателей. Сырьем для получения бензина служит нефть, нефтяные газы, бурый и каменный уголь, горючие сланцы.

Октановое число́ — показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для двигателей внутреннего сгорания. Число равно содержанию (в процентах по объёму) изооктана(2,2,4-триметилпентана) в его смеси с н-гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытаний.

Бензин как топливо должен обладать хорошей испаряемостью, стойкостью против детонации, высокой стабильностью (т. е. способностью сохранять первоначальные свойства при длительном хранении), не содержать соединений, вызывающих коррозию металла, и не содержать смолистых отложений, а также воды и механических примесей.

Об испаряемости бензина судят по его фракционному составу.

Фракционный состав характеризуется температурой выкипания 10%; 50%; 90 % топлива и температурой конца выкипания.

Температура выкипания 10% топлива характеризует его пусковые качества: чем ниже эта температура, тем легче можно пустить двигатель.

Температура выкипания 50% топлива характеризует способность его обеспечивать быстрый прогрев двигателя, устойчивость его работы на малой частоте вращения коленчатого вала и приемистость двигателя.

Температура выкипания 90 % топлива и конца выкипания характеризует полноту его испарения.

Температура начала кипения бензина должна быть не ниже 30 °С, для того, чтобы в жаркое время года не образовывались "паровые" пробки в топливопроводах и фильтрах.

Стойкость бензина против детонации оценивается октановым числом, которое присутствует в каждой марке бензина. Так, например, в марке бензина АИ-92 буква А означает, что бензин предназначен для автомобилей, буква И — что октановое число данного бензина определяют по исследовательскому методу, а цифра 92 — октановое число. В марке А-76, где нет буквы И — октановое число 76 определено по моторному методу.

На слух детонация проявляется в звонких металлических стуках при работе двигателя. Кроме того, при детонации в отработавших газах периодически появляется черный дым, двигатель перегревается и его мощность падает.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность бензина к детонации, поэтому для повышения октанового числа к бензинам добавляют антидетонатор — этиловую жидкость. Бензин, в который добавлена этиловая жидкость, называют этилированным. Этиловая жидкость ядовита, поэтому этилированные бензины тоже ядовиты и применение их требует строгого соблюдения правил техники безопасности. Присутствие в бензине кислот и сернистых соединений вызывает коррозию металлов, поэтому содержание их строго ограничивается.

Вода и механические примеси в бензине не допускаются. Вода способствует коррозии топливных баков и тары, а также ускоряет осмоление бензина.

В соответствии с рекомендациями заводов-изготовителей автомобилей применяют марки бензинов:

Дизельные топлива. Это топливо применяется для дизелей.

Основными свойствами дизельного топлива являются температура самовоспламенения, температура застывания и вязкость.

Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельных топлив, определяющая период задержки воспламенения смеси (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Температурой самовоспламенения называется температура, до которой необходимо нагреть смесь дизельного топлива с воздухом, чтобы начался процесс ее горения. Эта температура равна примерно 300—350 °С. Самовоспламеняемость дизельного топлива определяют по цетановому числу. Чтобы определить цетановое число, дизельное топливо сравнивают с эталонными топливами, цетановое число которых заранее известно. Цетановое число находится в пределах 40—45 единиц.

Температура застывания дизельного топлива оказывает влияние на работу дизеля: чем она ниже, тем надежнее работает дизель, так как при застывании топливо превращается в желеобразную массу и подача его из топливных баков в цилиндры двигателя становится невозможной. Температура застывания дизельного топлива должна быть на 10—15°С ниже температуры окружающего воздуха в районе его эксплуатации.

Выпускают следующие марки дизельного топлива: Л — летнее, 3 — зимнее, А — арктическое.

Газовое топливо, используемое в газобаллонных автомобилях, может быть как естественного, так и искусственного происхождения и применяться в сжатом или сжиженном виде. К сжатым газам относят природный газ (метан) и промышленные газы. Сжиженными называют такие газы, которые переходят из газообразного в жидкое состояние при нормальной температуре и давлении до 1,6 МПа. К ним относят углеводороды, получаемые при переработке нефти.

Газ как топливо имеет ряд преимуществ: обеспечивает лучшее смесеобразование, позволяет использовать бедные горючие смеси. К недостаткам газового топлива относят меньшую теплоту сгорания горючей смеси. В результате этого мощность двигателя уменьшается на 7...20%.

К физико-химическим характеристикам топлива относят:

- испаряемость – способность переходить в парообразное состояние, характеризуется фракционным составом;

- вязкость влияет на процессы распыливания и топливоподачи;

- детонационная стойкость влияет на нормальное распределение пламени при сгорании. Работа двигателя на детонационном режиме недопустима вследствие перегрева двигателя, падения мощности, прогорания поршней, клапанов. Детонационная стойкость бензина характеризуется октановым числом, т.е. процентным по объему содержанием изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая по детонационной стойкости равноценна данному топливу. Так, если исследуемое топливо детонирует так же, как смесь, содержащая 70% изооктана и 30% нормального гептана, то октановое число такого топлива = 70;

- склонность к воспламенению. Воспламеняемость дизельных топлив зависит от группового химического состава;

- примеси. Топливо не должно содержать механические примеси, воду, корродирующие вещества;

- температуру кристаллизации.

Одной из наиболее важных технических характеристик топлива является теплота сгорания.

Теплотой сгорания называют количество тепла, которое выделяется при полном сгорании 1 нм³ газообразного топлива. На практике теплоту сгорания топлива определяют методом калориметрирования. В закрытом сосуде сжигают определенное количество топлива. Теплота сгоревшего топлива через стенки сосуда передается воде. Зная это количество воды, окружающей сосуд, теплоемкость сосуда и разность температур воды до и после опыта, определяют теплоту сгорания топлива.

Различают высшую и низшую  теплоту сгорания топлива. Теплота сгорания высшая больше, чем теплота сгорания низшая на количество теплоты, которое затрачивается на испарение влаги рабочей массы топлива и влаги, получаемой при сгорании водорода, входящего в состав топлива.

Высшая теплота сгорания определяется по формуле Менлелеева

Q_s^af=81С + 300Н − 26(О-S),

где С, Н, О, S — массовая доля элементов в веществе ТГИ, %

Низшая теплота сгорания определяется по формулам (кДж/кг или ккал/кг):

 (для твердого вещества)

или

 (для жидкого вещества), где:

• 2514 — теплота парообразования при температуре 0 °C и атмосферном давлении, кДж/кг;

• H^P и W^P — содержание водорода и водяных паров в рабочем топливе, %;

• 9 — коэффициент, показывающий, что при сгорании 1 кг водорода в соединении с кислородом образуется 9 кг воды.

Соотношение между теплотой сгорания высшей и низшей в кДж/кг

Для удобства расчетов и сравнения теплоты сгорания различных видов топлива пользуются понятием условное топливо. Теплота сгорания условного топлива составляет 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета расходов натурального топлива на условное служит тепловой эквивалент топлива

,

где В_у и В_р — расходы соответственно условного и рабочего (натурального) топлива; Э — тепловой эквивалент топлива,

,

Или

Газообразное топливо представляет собой смесь различных газов. Природные газы содержат от 80 до 98% метана. Попутные газы, выходящие на поверхность из нефтяных скважин одновременно с добываемой нефтью, состоят из метана (40—60%) и тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). Теплота сгорания природного газа , попутного .

Из искусственных газов наибольшее распространение получили генераторный газ , коксовой с и доменный с .

Похожие работы

Влияние качества топлива на работу двигателя внутреннего сгорания

Скачать

35606

18

16

... тери эффективности смазки может произ­водиться по величине толщины лакообразующих отложений в канавках втулки после 1000 час. работы двигателя и расходу смазки, который не должен превышать 0,2 ррт сгоревшего топлива.  На рис. 4 показано влияние лакообразующего нагара на эффектив­ность смазывания и расход смазки по результатам экспериментальных исследований на двигателе голланд­ ...

Анализ системы охлаждения двигателя ВАЗ-2106

Скачать

40425

0

15

... направленного на сердцевину со стороны вентилятора. При То-1, кроме работ по ежедневному техническому обслуживанию, проверить и при необходимости подтянуть крепления всех деталей системы охлаждения двигателя (радиатора, жидкостного насоса, вентилятора, жидкостных патрубков и шлангов). Смазать трущиеся детали жидкостного насоса, вентилятора с помощью нагнетательного насоса через пресс-масленки ( ...

Проектирование и моделирование двигателя внутреннего сгорания

Скачать

31654

0

2

... его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): где D - диаметр цилиндра. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность. Все перечисленные характеристики двигателя прорционально зависят от размера и объема ...

Двигатели внутреннего сгорания

Скачать

47659

0

0

... используется в паровых турбинах и т.д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются на транспортных установках и сельскохозяйственных машинах. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются на небольших электростанциях, энергопоездах ...