Обобщенный цикл тепловых двигателей
ОПД.Ф.04 Теплотехника
МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ
к выполнению расчётно-графической работы
«Расчет циклов тепловых двигателей»
110300 Агроинженерия
Квалификация
Специалист
Уфа 2012 г.
Методические указания разработаны профессором Габдрафиковым Ф.З. и ассистентом Абраровым М.А.
Рекомендовано к печати кафедрой «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» (протокол №__от «__»________ 20__г.) и методической комиссией механического факультета (протокол № __ от «__»______ 20__г.).
Рецензент: заведующий кафедрой эксплуатации машинно-тракторного парка и автомобилей, к.т.н., доцент Бакиев И.Т.
Ответственный за выпуск: зав. кафедрой, к.т.н., доцент Инсафуддинов С.З.
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Введение | |
| 1 Цель работы…………………………………………………….…………… | |
| 2 Методические указания к выполнению задания…………………………. | |
| 3. Циклы тепловых двигателей и установок………………………………. | |
| 3.1 Обобщенный цикл теплового двигателя……………………………… | |
| 3.2 Циклы поршневых двигателей………………………………………… | |
| 3.3 Циклы газотурбинных установок……………………………………… | |
| 3.4 Сравнение циклов……………………………………………………… | |
| 4 Задание для самостоятельной работы……………………………………. | |
| Библиографический список…………………………………………………. |
ВВЕДЕНИЕ
ДисциплинаОПД.Ф.04 “Теплотехника” – одна из общепрофессиональных дисциплин, составляющих основу для подготовки специалистов в области теплоэнергетики.
Целью дисциплины является формирование у будущего инженера-энергетика системы знаний и практических навыков, необходимых для решения основных задач, связанных с энергообеспечением предприятий агропромышленного комплекса.
Задачи дисциплины “Теплотехника” вытекают из требований ГОС и квалифицированной характеристики выпускника и сводятся к изучению основных задач связанных с энергообеспечением предприятий.
Изучение дисциплины “Теплотехника” базируется на знаниях студентов, полученных при изучении дисциплин высшей математики и физики.
Методические указания к решению расчётно-графической работы по разделу “Техническая термодинамика” составлены в соответствии с типовой и рабочей программой дисциплины.
Материалы составлены на основе действующих библиографических источников и нормативных документов в области энергоснабжения.
В состав методических указаний входят основные расчетные формулы, рекомендации по выбору справочных материалов.
Цель работы
В углублении знаний студентов по курсу “Теплотехника” раздела “Техническая термодинамика”, освоении методики теплотехнических расчетов, изучение конструкции и принципа работы тепловых двигателей.
В процессе выполнения расчетно-графической работы студент должен приобрести практические навыки по расчету циклов тепловых двигателей и формироваться как специалист для самостоятельного решения практических инженерных задач.
Методические указания к выполнению задания
К выполнению задания необходимо преступить после изучения соответствующего раздела дисциплины.
Данные для выполнения заданий выбираются из таблиц по номеру зачетной книжки, которые приведены на странице 12. Задания, выполненные, не по своему варианту не рассматриваются.
При выполнении заданий необходимо соблюдать требования стандарта СТО 0493582-003-2009 (Самостоятельная работа студента. Оформление текста рукописи).
Поясняющие чертежи, графики и расчетные схемы выполняются с помощью чертежных инструментов на миллиметровке с учетом требований ЕСКД.
Циклы тепловых двигателей и установок
Обобщенный цикл теплового двигателя
Термодинамические циклы тепловых машин идеализируют следующим образом:
– все процессы являются обратимыми и протекают с одним и тем же количеством рабочего тела;
– химический состав рабочего тела постоянен;
– подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через стенки цилиндра от верхнего источника теплоты;
– процесс сжатия и расширения рабочего тела являются адиабатными;
– теплота от рабочего тела передается через стенки цилиндра к нижнему (холодному) источнику теплоты;
– теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры (c=const).
Рисунок 1 Диаграммы обобщенного цикла теплового двигателя
Любой цикл теплового двигателя может рассматриваться как частичный случай обобщенного цикла (рисунок 1).
Цикл состоит из адиабатного сжатия 1-2, изохорного подвода теплоты q1′ 2-3 и изобарного подвода теплоты q1” 3-4, адиабатного расширения 4-5, изохорного отвода теплоты q2′ 5-6 и изобарного отвода теплоты q2” 6-1.
Параметрами, характеризующими цикл, являются степень сжатия ε=ν1/ν2 , степень повышения давления λ=Р3/Р2, степень предварительного расширения ρ=ν4/ν3, степень падения давления λр=Р5/Р6, степень сокращения объема ευ=ν6/ν1.
Количество удельной теплоты, подведенной в цикле равно:
q1=q1’+q1’’=cυ(T3-T2)+cр(T4-T3). (1)
Количество отведенной теплоты к холодному источнику записывается в виде:
q2=q2’+q2’’=cυ(T5-T1)+cр(T6-T1), (2)
где, cυ и cр – соответственно удельная массовая теплоемкость рабочего тела, кДж/(кг×К);
Т1, Т2, Т3, Т4, Т5 и Т6 – термодинамические температуры в характерных точках, К.
Эти величины можно подсчитать через параметры цикла. Так для адиабатного процесса 1-2 можно записать
Т2/Т1=(υ1/υ2)К =εК-1 и Т2=Т1×εК-1 (3)
где, ν1 и ν2 – объём камеры сгорания и полный объём цилиндра соответственно.
Для изохорного процесса 2-3 Т3/Т2=Р3/Р2=λ,
Т3=Т2×λ=Т1×λ×εК-1 (4)
При изобарном процессе 3-4 Т4/Т3=υ4/υ3=ρ,
Т4=Т3×ρ=Т1×ρ×λ×εК-1 (5)
При изохорном процессе 5-6 Т5/Т6=Р5/Р6=λр, откуда
Т5=Т6×λр (6)
При изобарном процессе 6-1 Т6/Т1=υ6/υ1=ευ и
Т6=Т1×ευ (7)
Если вместо Т6 в формулу 6 подставим его значение, то
Т5=Т1×ευ×λр (8)
Если в уравнения 1.1 и 1.2 вместо температур в характерных точках подставим их значения, выраженные параметрами цикла, то получим
q1=cυ×T1εK-1(λ-1+K×λ(ρ-1)) (9)
q2=cυ×T1(ευ(λp-1)+K×(ευ-1)) (10)
Термический КПД цикла для тепловой машины равен
(11)
Работа цикла имеет вид:
WЦ=q1-q2=cυT1(εK-1(λ-1+K×λ(ρ-1)))-ευ(λp-1)+K(ευ-1). (12)
или WЦ=ηt×q1.. (13)
Читайте также:
Рекомендуемые страницы:
©2015-2021 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных
Источник
4.1 Обобщенный термодинамический цикл тепловых двигателей
Для того, чтобы получить возможность
вместо действительных циклов рассматривать
циклы термодинамические, состоящие из
обратимых термодинамических процессов,
необходимо работу тепловых машин в
определенной степени идеализировать.
Эта идеализация сводится к тому, что в
идеальных термодинамических циклах:
1. Процессы протекают во всех своих
стадиях с постоянным (или одним и тем
же) количеством рабочего тела.
2. Отбрасывается возможность сгорания
топлива, в связи с чем химический состав
рабочего тела принимается постоянным
при всех стадиях термодинамического
цикла.
3. Процессы сжатия и расширения
рабочего тела принимаются адиабатными.
4. Удаление отработанного рабочего
тела не учитывается и заменяется отводом
теплоты от рабочего тела через стенки
цилиндра к так называемому холодному
источнику тепла (холодильнику).
5. Теплоёмкости рабочих тел принимаются
не зависящими от температуры.
6. В качестве рабочего тела принимается
идеальный газ.
Анализ термодинамических циклов
различных тепловых двигателей показывает,
что
все они могут рассматриваться как
частные случаи некоторого условного
цикла (рис.4.1).
а)- нар-w– диаграмме;б) наТ- S– диаграмме.
Рис. 4.1 Обобщенный термодинамический
цикл теплосиловых машин:
Сжатие 1-2 (рис.4.1,а) рабочего
тела принимается адиабатным. Подвод
теплоты в количествеq`1происходит вначале при изохорном
процессе 2-3, а затем в количествеq“1изобарном процессе3-4. Далее
происходит адиабатное расширение4-5,
после чего теплота отдаётся холодному
источнику вначале при изохорном процессе5-6 (в количествеq`2),
а затем при изобарном процессе (в
количествеq(в количествеq“2).
Параметрами, характеризующими
обобщенный цикл, являются:
–
степень сжатия:
–
степень повышения давления:
–
степень предварительного расширения:
–
степень падения давления:
– степень сокращения объёма.
Количество теплоты q1.
подведенной в обобщённом цикле к одномукграбочего тела от горячего
источника теплоты, определяется суммой
q1=q`1
+ q“1.
(4.1)
Количество теплоты, отдаваемое в цикле
одним кграбочего тела холодному
источнику теплоты, определится суммой
q2=q`2+q“2 .
Так как
q`1=cw(T3–T2), аq“1=cp
(T4 – T3)
и q`2=cw(T5–T6),аq“2=cр(T6
– T1),
то
q1 = cw(T3
–T2) +
cp(T4
–T3) ;
(4.3)
q2=cw(T5
–T6 )
+cp(T6
–T1)
(4.4)
Количество подведенной и отведенной
теплоты в цикле может быть подсчитано
через
параметры цикла. Для этого температуры
всех точек цикла следует выразить через
температуру одной из точек цикла
(например, T1)
и соответствующие параметры цикла.
Так, процесс 1-2являетсяадиабатным,
поэтому
откуда
T1.
(4.5)
Процесс 2-3 – изохорный, в связи
с чем
откуда
или с учётом выражения (4.5)
(4.6)
При изобарномпроцессе3-4
поэтому
или с учётом формулы (4.6)
(4.7)
Процесс отвода тепла 5-6–изохорный,поэтому
откуда
.
(4.8)
Процесс отвода тепла 6-1- изобарный,
поэтому
,
откуда
(4.9)
или с учетом выражения (4.9), формула
(4.8) получит вид
(4.10)
Соотношения (4.5 – 4.7) и (4.9), (4.10) дают
возможность записать выражения (4.3)
и(4.4)
в следующем виде:
q1=
; (4.11)
q2=
.
(4.12)
Величины q1 иq2(теплота,
подведённая и отведённая от рабочего
тела в цикле), позволяют определить
термодинамический КПД циклаηtиlц.
Значение ηtопределится по формуле:
,
(4.13)
Работа цикла lц
определится разностью
lц=q1–q2.
(4.14)
или после подстановки в (4.14) выражений
(4.11) и (4.12) и некоторых преобразований
lц=
.
(4.15)
Здесь ηtопределяется выражением (4.13).
Формулы (4.13) и (4.15) позволяют определять
ηtиlцдля
каждого конкретного цикла.
Источник
Устройство, имеющее способность преобразовывать полученную теплоту в механическую работу носит название теплового двигателя. В таких машинах механическая работа совершается в процессе расширения вещества, называющегося рабочим телом. Его роль обычно исполняют газообразные вещества, вроде паров бензина, воздуха и водяного пара.
Определение 1
Рабочее тело приобретает или отдает тепловую энергию при теплообмене с телами, которые имеют внушительный запас внутренней энергии. Такие тела называют тепловыми резервуарами.
Исходя из первого закона термодинамики, можно сделать вывод, что полученное газом количество теплоты Q полностью преобразуется в работу A в условиях изотермического процесса, при котором внутренняя энергия не претерпевает изменений (ΔU=0):
A=Q
Однако, подобный однократный акт превращения теплоты в работу для техники не представляет интереса. Существующие тепловые двигатели, такие как паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и им подобные, работают циклически. Необходимо периодическое повторение процесса теплопередачи и преобразования полученной теплоты в работу. Чтобы данное условие выполнялось, рабочее тело должно совершать круговой процесс или же термодинамический цикл, при котором исходное состояние с периодически восстанавливается. На рисунке 3.11.1 в виде диаграммы (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых проиллюстрированы круговые. В условиях расширения газ производит положительную работу A1, эквивалентную площади под кривой abc. При сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A=A1+A2 на диаграмме (p, V) равняется площади цикла. Работа A положительна, в том случае, если цикл проходит по часовой стрелке, и A отрицательна, когда цикл проходит в противоположном направлении.
Рисунок 3.11.1. Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd.
Все круговые процессы обладают общей чертой. Они не могут привестись в действие при контакте рабочего тела только с одним тепловым. Их минимальное число должно быть равным двум.
Определение 2
Тепловой резервуар, обладающий более высоким значением температуры, носит название нагревателя, а с более низким – холодильника.
Рабочее тело при совершении кругового процесса получает от нагревателя некоторую теплоту Q1>0 и теряет, отдавая холодильнику, количество теплоты Q2<0. Для полного полученного рабочим телом за цикл количества теплоты Q справедливо следующее выражение:
Q=Q1+Q2=Q1-Q2.
Совершая цикл, рабочее тело приходит в свое первоначальное состояние, из чего можно сделать вывод, что изменение его внутренней энергии равняется ΔU=0. Основываясь на первом законе термодинамики, запишем:
∆U=Q-A=0.
Из этого следует:
A=Q=Q1-Q2.
Работа A, которую рабочее тело совершает за цикл, эквивалентна полученному за этот же цикл количеству теплоты Q.
Определение 3
Коэффициентом полезного действия или же КПД η теплового двигателя называют отношение работы A к полученному рабочим телом за цикл от нагревателя количеству теплоты Q1, то есть:
η=AQ1=Q1-Q2Q1.
Рисунок 3.11.2. Модель термодинамических циклов.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя демонстрирует, какая доля тепловой энергии, которую получило рабочее тело от нагревателя, преобразовалась в полезную работу. Оставшаяся часть (1–η) была без пользы передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины не может быть больше единицы η<1. На рисунке 3.11.3 проиллюстрирована энергетическая схема тепловой машины.
Рисунок 3.11.3. Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q1>0, A>0, Q2<0; T1>T2.
Виды тепловых двигателей
В технике свое применение находят двигатели, использующие круговые процессы. Рисунок 3.11.3 демонстрирует нам циклы, применяемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. Они оба в качестве рабочего тела используют смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания включает в себя две изохоры (1–2, 3–4) и две адиабаты (2–3, 4–1), дизельного двигателя -две адиабаты (1–2, 3–4), одну изобару (2–3) и одну изохору (4–1). Реальный КПД (коэффициент полезного действия) у карбюраторного двигателя составляет около 30 %, у дизельного двигателя – приблизительно 40 %.
Рисунок 3.11.4. Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2).
Цикл Карно
Круговой процесс, изображенный на рисунке 3.11.5, состоящий из двух изотерм и двух адиабат был назван циклом Карно в честь открывшего его в 1824 году французского инженера. Данное явление впоследствии оказало колоссальное влияние на развитие учения о тепловых процессах.
Рисунок 3.11.5. Цикл Карно.
Находящийся в цилиндре, под поршнем, газ совершает цикл Карно. На участке изотермы (1–2) он приводится в тепловой контакт с нагревателем, обладающим некоторой температурой T1. Газ изотермически расширяется, при этом к нему подводится эквивалентное совершенной работе A12количество теплоты Q1=A12. После этого на участке адиабаты (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает процесс расширения при отсутствующем теплообмене. На данной части цикла газ совершает работу A23>0. Его температура при адиабатическом расширении снижается до величины T2. На идущем следующим участке изотермы (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодильником в условиях температуры T2<T1. Производится процесс изотермического сжатия. Газом совершается некоторая работа A34<0 и отдается тепло Q2<0, эквивалентное произведенной им работе A34. Его внутренняя энергия не претерпевает изменений. На последнем оставшемся участке адиабатического сжатия газ снова помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии его температура вырастает до величины T1, также совершается работа A41<0. совершаемая газом за цикл полная работа A эквивалентна сумме работ на отдельных участках:
A=A12+A23+A34+A41.
На диаграмме (p, V) данная работа равняется площади цикла.
Процессы на любом из участков цикла Карно квазистатичны. Например, оба участка 1–2 и 3–4, относящихся к изотермическим, производятся при пренебрежительно малой разности температур рабочего тела, то есть газа, и теплового резервуара, будь то нагреватель или холодильник.
Исходя из первого закона термодинамики, можно заявить, что работа газа в условиях адиабатического расширения или сжатия эквивалентна падению значения ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа верно следующее выражение:
A=-∆U=-CV(T2-T1),
в котором T1 и T2 представляют собой начальную и конечную температуры рабочего тела.
Из этого следует, что работы, совершаемые газом на двух адиабатических участках цикла Карно, противоположны по знакам и одинаковы по модулю:
A23=-A41.
Коэффициент полезного действия η цикла Карно может рассчитываться с помощью следующих соотношений:
η=AQ1=A12+A34Q12=Q1-Q2Q1=1-Q2Q1.
С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через величины температур холодильника T2и нагревателя T1:
η=T1-T2T1=1-T2T1.
Цикл Карно примечателен тем, что ни на одном из его участков тела, обладающие различными температурами, не соприкасаются. Любое состояние рабочего тела в цикле является квазиравновесным, что означает его бесконечную близость к состоянию теплового равновесия с окружающими объектами, то есть тепловыми резервуарами или же термостатами. В цикле Карно исключен теплообмен в условиях конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), если тепло имеет возможность переходить без совершения работы. По этой причине любые другие возможные круговые процессы проигрывают ему в эффективности при заданных температурах нагревателя и холодильника:
ηКарно=ηmax
Рисунок 3.11.6. Модель цикла Карно.
Каждый участок цикла Карно и цикл в целом могут проходиться в обоих направлениях.
Определение 4
Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, в котором полученное рабочим телом тепло частично преобразуется в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, где некое количество теплоты отходит от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Именно поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, носит название обратимой тепловой машины.
В реально существующих холодильных машинах применяются разные циклические процессы. Любой холодильный цикл на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. На рисунке 3.11.7 проиллюстрирована энергетическая схема холодильной машины.
Рисунок 3.11.7. Энергетическая схема холодильной машины. Q1<0, A>0, Q2 > 0, T1>T2.
Работающее по холодильному циклу устройство может обладать двояким предназначением.
Определение 5
Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла Q2 от охлаждаемых тел, к примеру, от продуктов в камере холодильника, то такое устройство является обычным холодильником.
Эффективность работы холодильника может быть охарактеризована следующим отношением:
βx=Q2A.
Таким образом, эффективность работы холодильника представляет собой количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. В условиях подобного определения βх может быть, как больше, так и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо выражение:
βx=T2T1-T2.
Определение 6
В случае, когда полезным эффектом является передача некоего количества тепла
|Q1| нагреваемым телам, чьим примером может выступать воздух в помещении, то такое устройство называется тепловым насосом.
Эффективность βТ теплового насоса может быть определена с помощью отношения:
βт=Q1A.
То есть она может определяться количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:
Q1>A.
Следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно справедливо следующее выражение:
βт=1η=T1T1-T2.
Источник