книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

цесс отображается изохорой 2—3; затем, при обратном ходе поршня к н. м. т., горение топлива на некотором участке хода поршня (до точки 3') происходит при неизменном давлении, чему в цикле соответствует изо­ барный процесс 3—3'. По достижении поршнем положения, соответству­

ющего на диаграмме точке 3', подача топлива прекращается и дальнейшее движение порш­

ня к н. м. т. происходит под действием расши­ ряющихся продуктов сгорания, чему соответст­ вует адиабатный процесс 3'—4.

По достижении поршнем н. м. т. открыва­ ется выпускной клапан 5 и давление газов в цилиндре выравнивается с давлением окружа­ ющей среды. В цикле этот процесс отобража­ ется изохорой 4—1. При обратном ходе порш­ ня к в. м. т. происходит выталкивание продук-

;сгорания из цилиндра через клапан 5 (ли-

/3 '

ния 1—2"). После того как поршень достигнет в. м. т., начинается по­ вторение описанных выше процессов.

В данном случае, строго говоря, цикл осуществляется не так, как ранее, когда рассматривался цикл Карно. Природа и свойства рабочего тела в цикле Карно при многократном его повторении оставались неиз­ менными, а рабочее тело не покидало цилиндра. В двигателе внутренне­ го сгорания, во-первых, природа и свойства рабочего тела изменяются, поскольку по воспламенении горючая смесь в результате .химического взаимодействия ее горючих компонентов с кислородом воздуха превра­ щается в продукты сгорания, и, во-вторых, по окончании второго обрат­ ного хода продукты сгорания выбрасываются из цилиндра и он вновь заполняется сначала воздухом, а затем распыленным жидким топливом.

Поскольку различие природы воздуха и продуктов сгорания вносит несущественные изменения в дальнейшие выводы, это различие без больших погрешностей можно не учитывать.

Дальнейшее рассуждение ведется применительно к 1 кг идеального газа. Тогда объемы VI и У2. занимаемые газом, будут одновременно и их удельными объемами и их можно обозначить также через 01 и 02.

Из рис. 7-2 следует, что численно работы всасывания и выталкива­ ния, выражаемые одной и той же площадью 2//—1—Г—2\ равны, но об­

71

ратны по знаку. Вследствие этого процессы всасывания и выталкивания (насосные ходы поршня) можно также не учитывать. Что же касается совокупности остальных процессов, то их мы будем рассматривать как идеальный цикл с рабочим телом в виде идеального газа, происходящий с подводом и отводом тепла вусловиях равновесных процессов, образую­ щих цикл. Такое допущение возможно принять, поскольку, как указыва­ лось выше, различие природы воздуха и продуктов сгорания вносит очень незначительные изменения в выводы, которые мы будем делать, и поскольку параметры в точках, соответствующих переходу от одного процесса к другому (в характерных точках), остаются неизменными.

Таким образом, можно считать, что идеальный цикл двигателя скла­ дывается из следующих процессов (см. рис. 7-2 и 7-3):

а) адиабатного, при котором в результате сжатия давление рабо­ чего тела изменяется от р\ до р2, удельный объем— от V\ до 02 и темпе­ ратура— от Тхдо Г2. Этот процесс на диаграммах V— риз — Т отобра­ жается адиабатой 1—2. Характеристикой его является отношение объе­ ма в начале сжатия к объему в конце сжатия, которое называют степе­ нью сжатия и обозначают буквой е:

б) изохорного, при котором рабочему телу сообщается тепло и при котором давление в цилиндре возрастает от р2 до рэ, а температура— от Т2 до 73. Количество сообщаемого тепла равно

Процесс отображается изохорой 2—3, а количество подведенного тепла на диаграмме 5 — Т выражается площадью 2—3—3". Этот процесс характеризуется отношением давлений в начале, и в конце изо­ хорного процесса 2—3, которое называют ст-епенью повышения давления и обозначают буквой Лз

в) изобарного (процесс 3—3'), при котором удельный объем изме­ няется от Vз до Уз', а температура — от Т3 до Т3\ Этот процесс харак­ теризуется отношением объемов, соответствующих его началу и концу, которое называют степенью предварительного расш ире­ ния и обозначают через р:

На диаграмме 5 — Т (рис. 7-3) этому количеству тепла соответству­ ет площадь 3—3'—4'—3";

г) адиабатного (процесс 3'—4), при котором давление рабочеготела в результате расширения изменяется от р3 до р4, удельный объем— от

72

Количество отводимого в этом процессе тепла определяется выра­ жением

На диаграмме 8 —Т этому количеству тепла соответствует площадь 4—4'—1'—1.

Выведем формулы, служащие для определения параметров рабочего тела в состояниях, отображаемых характерными точками 2, 3, 3' и 4, по­

Полезная работа I идеального цикла определяется заштрихованной на рис. 7-2 площадью. Из рисунка видно, что эта площадь складывается из работы изобарного расширения, выражаемой площадью 3—3'—3'"— 2\ и работы адиабатного расширения, выражаемой площадью 3'—4— 1'—3"\ за вычетом работы адиабатного сжатия, выражаемой площадью 1—2—2'—/'. Если подставить ранее приведенные аналитические выра­ жения работы указанных выше процессов, то можно просто получить

73

уравнения для выражения работы цикла для 1 кг и для М кг рабочего тела.

Количество тепла ^ —<72, полезно использованного в цикле на

совершение полезной работы, определяется заштрихованной на рис. 7-3 площадью.

Для определения щ цикла служит общая формула гр=1—<7г/<7ь которая с учетом выражений (7-2), (7-5) и (7-6) принимает вид

р -рЯ. + * ^ '- р /

и после умножения числителя и знаменателя второго члена на е* 1и сокрашения дроби на 7*3' получим

Из рассмотрения формулы (7-18) следует, что термический к. п. д. цикла со смешанным подводом тепла тем больше, чем больше степень сжатия е и степень повышения давления Я, и тем меньше, чем больше степень предварительна от о расширения р.

Цикл с подводом тепла при постоянном объеме

Отличие рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания с под­ водом тепла при постоянном объеме, идеальный цикл которого изобра-

74

жен на рис: 7-4 и 7-5, от рабочего процесса двигателя, рассмотренного выше, состоит в следующем:

а) в цилиндр засасывается не воздух, а горючая смесь, состоящая из топлива и воздуха (или из горючего газа и воздуха);

б) процесс сжатия 1—2 горючей смеси доводится до меньшего дав­ ления, поскольку двигатель работает с меньшей степенью сжатия (е > 6—10), и вследствие этого называется работающим с низкой степе­ нью сжатия;

в) вследствие малой степени сжатия в концепроцесса сжатия не до­

стигается температура, при которой происходит самовоспламенение го­ рючей смеси; это обусловлено тем, что если в этом двигателе принять для е

слишком большое значение, то горючая смесь в результате чрез­ мерного повышения ее температуры может самовоспламеняться до того, как поршень дойдет до в. м.т. Такое предварительное воспламенение го­ рючей смеси обусловливает возникновение резких толчков двигателя, опасных для его работы;

г) процесс подвода тепла и увеличения давления происходит в ре­ зультате зажигания смеси пропускаемой через нее электрической иск­ рой, что,приводит к практически мгновенному сгоранию ее, которому со­ ответствует изохора 2—3

д) процесс изобарного расширения отсутствует и продукты сгора­ ния от состояния; отображенного на рис. 7-4 и 7-5 точкой 3, начинают расширяться (в идеале адиабатно) до состояния, отображаемого на ди­ аграммах точкой 4, после чего следует открытие клапана 5 и выпуск в атмосферу продуктов сгорания. После этого процессы цикла возобнов­ ляются.

В данном случае объемы щ и о3 совпадают и поэтому р=ц3/о2=1. Для определения характерных точек цикла служат те же уравнения, что и для предыдущего цикла при тех же буквенных обозначениях, за исключением уравнений (7-12) и (7-13), относящихся к процессу, отсут­

75

Тепло в цикле подводится только в.изохорном процессе 2—3, сооб­ разно с чем количество его выражается уравнением

и на рис. 7-5 изображается площадью 2—3—3'—V.

Количество отведенного тепла определяется по той же формуле, что и в случае цикла со смешанным подводом тепла.

Для определения работы цикла следует поступать так же, как и в

Цикл с подводом тепла при постоянном давлении

Работа двигателя с подводом тепла при постоянном давлении, иде­ альный цикл которого изображен на рис. 7-6 и 7-7, отличается от ра-

вается воздух, который затем сжимается до высокого давления теорети­ чески по адиабате (процесс 1—2 на рис. 7-6 и 7-7). По завершении этого процесса в цилиндр впрыскивается через форсунку мелко распыленное компрессорным воздухом жидкое топливо, которое самовоспламеняется вследствие высокой температуры предварительно сжатого в цилиндре воздуха (величина е доводится иногда до 20, т. е. рассматриваемые дви­ гатели называют работающими с высокой степенью сж а­ тия);

76

б) процесс горения топлива происходит постепенно, по мере поступ­ ления его из форсунки, поэтому давление в течение его изменяется мало и в идеальном циклеэтому процессусоответствует изобара 2—3. В поло­ жении поршня, соответствующем на диаграмме V—р точке 5, впуск топ­ лива прекращается и начинается расширение продуктов сгорания, кото­ рому соответствует адиабата 3-^—4, после чего открывается выпускной клапан, давление изохорно падает до р\ (изохора 4—1) и продукты сго­ рания выталкиваются при открытом клапане 5 в атмосферу'.

Как видно из рис. 7-6 и 7-7, в цикле отсутствует процесс изохорного

подвода тепла, вследствие чего рг—Р2 и, следовательно, Л=рз//?2=1. Для этого цикла все характерные точки можно определить, также пользуясь формулами, выведенными для цикла со смешанным подводом

тепла, учтя при этом следующее:

а) формулы (7-9), (7-10) и (7-11) к циклу не относятся, так как в нем нет изохорного процесса с подводом тепла;

б) остальные формулы применимы, если, учитывая, что на диаграм­ мах рис. 7-6 и 7-7 процесс Изохорного сжатия отсутствует и заменяется изобарным расширением, обозначаемым линией 2—5, заменить в соот­ ветствующих формулах индексы 5 и 3' соответственно на индексы 2и 3".

Количество подведенного в цикле тепла определяется уравнением

и на рис. (7-7) выражается площадью Г—2—3—3'. Работа цикла изоб­ ражается на рис. 7-6 заштрихованной площадью и определяется так же, как и для ранее рассмотренных циклов.

Если в формуле (7-18) положить Л=1, то для рассматриваемого

степень сжатия е и чем меньше степень предвари­

тельного расширения р.

В двигателях внутреннего сгорания, работающих с подводом тепла при постоянном давлении для распиливания воздухом жидкого топлива,

вфорсунке предусматривается установка специального компрессора.

Вдвигателях же, работающих по циклу со смешанным подводом тепла, компрессора не требуется, поскольку в них для распыления топлива слу­ жит топливный насос. В связи с этим такие двигатели называют б ескомпрессорными.

СРАВНЕНИЕ ЦИКЛОВ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Для сравнения эффективности рассмотренных циклов целесообразно установить условия работы двигателей, работающих по этим циклам. Наиболее рационально вести сопоставление циклов так, чтобы в них достигались при одинаковых конструктивных размерах цилиндров одинаковые максимальное давление и температура, поскольку при соблю ении этого условия будут равными силовые и температурные напряжения, воз­ никающие в цилиндрах двигателей.

Проведем сопоставление сначала циклов с изохорным и изобарным подводом тепла, избрав в качестве критерия значения их термических к.п.д. Для сопоставления воспользуемся диаграммой $ —Г и нанесем на нее оба цикла (рис. 7-8). Из этого ри­ сунка можно заключить, что (^|)р>(<71:К* где индексам р и Vсоответствуют циклы

77

ский к. п. д. цикла со смешанным подводом тепла будет иметь промежуточное значе­ ние сравнительно с термическими к. п. д. двух других циклов.

ПРОЦЕССЫПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Поршневые компрессоры представляют собой машины, служащие

для сжатия газа или воздуха и передачи его к различным потребителям. Сжатый воздух, вчаст­

ности, используется в пневматических инст­ рументах, обдувочных устройствах, форсун­ ках и в других устрой­ ствах. Различают од­ ноступенчатые и много­ ступенчатые поршне­ вые компрессоры.

Основными эле­ ментами поршневого компрессора является

цилиндр б (см. рис. 7-9) и совершающий в нем возвратно-посту­ пательные движения поршень а, связанный своим штоком в с пол­

зуном г, движущимся в неподвижныхнаправ­

ляющихд. Ползуншар­ нирно соединен с шатуном е и через него с кривошипом или коленчатым

валом (на рисунке не показаны), который вращается приводным двига­ телем (электродвигателем или поршневым двигателем внутреннего сго­ рания).

78

Процесс одноступенчатого поршневого компрессора

Принцип работы одноступенчатого поршневого компрессора, идеа­ лизированный рабочий процесс которого показан на рис. 7-9, заключа­ ется в следующем. При ходе поршня из левого крайнего положения в правое крайнее в цилиндр компрессора засасывается газ (воздух), ко­ торый затем при обратном ходе поршня сначала сжимается, а потом выталкивается в газосборник (или воздухосборник). В крышке цилинд­ ра компрессора предусмотрены два клапана: впускной и выпускной. При засасывании газа (воздуха) впускной клапан открыт, а выпускной за­ крыт. В процессе сжатия газа, продолжающегося на части обратного хо­ да поршня, оба клапана закрыты. По окончании процесса сжатия вы­ пускной клапан открывается, и поршень на оставшейся части пути до крайнего левого положения выталкивает сжатый газ в сборник.

Идеализированные процессы всасывания, сжатия и выталкивания газа отображаются на графике в верхней части рис. 7-9 соответственно линиями 4—7, 1—2 и 2—3. Газ в компрессоре можно сжимать в зависи­ мости от степени охлаждения цилиндра по закону адиабаты (процесс 1—2"), изотермы (процесс 1—2) или политропы (процесс 1—2').

В первом случае отсутствует теплообмен с внешней средой (цилиндр идеально изолирован) и сообщаемая газу от первичного двигателя рабо­ та расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела, в ре­

зультате чего его температура возрастает.

Во втором случае количество тепла, эквивалентное работе, переда­ ваемой газу от -первичного двигателя, в результате водяного охлажде­ ния цилиндра отводится от рабочего тела и его температура остается не­

работы, передаваемая от первичного двигателя газу (воздуху), расходу­ ется на увеличение его внутренней энергии, вследствие чего его темпера­ тура возрастает, а остальная часть работы двигателя не используется, так как в результате охлаждения от рабочего тела отводится тепло, эк­

вивалентное этой части работы.

Полная (суммарная) работа компрессора, т. е. работа, затрачивае­ мая на привод компрессора (всасывание, сжатие и выталкивание), будет выражаться суммой площадей, изкоторыхдверасположены подлиниями сжатия и выталкивания (берутся с положительным знаком), а одна— под линией всасывания (берется с отрицательным знаком). Следова­ тельно* если для удобства считатьэту работу положительной, то ее мож­

но выразить уравнением

о

I = р4 о2+ | рйо — р1 о,. 1

Полная работа компрессора при изотермиче­ ском сжатии для 1 кг рабочего тела /пз выражается алгебраической суммой площадей: /Пя=пл, 1—2—II—7'^ +пл. 2—3—0—II—пл. 4—1—1'—0=пл. 1—2—3—4.

Площади 1—2—7/—V соответствует работа

1г=кТ 1п —до)с[кг. Р1

Площади 2—3—0—II соответствует работа и—ръ^ь а площади 4—1—1'—0—работа/3=р10ь но для изотермического процесса /?202=.

поэтому полная (суммарная) работа компрессора равна

79

Для М кг или VI ле3 рабочего тела это выражение приобретает вид:

Заменяя площади величинами соответствующих работ, получим

1Ю= ^37, [Р-2у2- — р\ »0 + Р2V* — Р,О| =

ь - 1(р2°2-“ Р| ®>)- ГГ1р101 [(* ) ‘ ~ 1] ~

Эту же работу можно выразить и так:

= “2* — «, + Р2»2- — Р| »1 = (“2- + Р2»2.)— («, + Р, »,) = *2. — 11> откуда следует, что

Полная суммарная работа компрессора при политропном сжатии по аналогии с формулой (7-26) для 1 кг рабочего тела равна

Поступая так же, как и в случае изотермического сжатия, можно получить для адиабатного и политропного процессов сжатия выражения полной работы компрессоров для

мичным является компрессор, в котором рабочее тело сжимается изотер­ мически.

80