Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную 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) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 0, A > 0, Q2 T2

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1 = A12. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A23 > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T2 0, T1 > T2

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βх может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Замкнутый и разомкнутые термодинамические циклы.

Термодинамические циклы это термодинамические круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу. Наиболее полный и подробный анализ термодинамических циклов дается Д.Н.Вырубовым.

Читать еще:  Шевроле вива характеристики двигателя

(«Теплотехника», стр. 347).

«Рассмотрение любого термодинамического цикла двигателей внутреннего сгорания основывается на следующих допущениях:

1. Цикл протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела (газа), в результате чего исключаются из рассмотрения как потери рабочего тела вследствие утечек его через неплотности, так и потери энергии, возникающие при поступлении свежего заряда в двигатель и удалении из него выпускных газов. При этом процесс удаления выпускных газов заменяется фиктивным процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику (выделено мной).

2. Химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла. Этим условием исключается из рассмотрения процесс сгорания, который заменяется фиктивным процессом подвода теплоты к рабочему телу от внешнего горячего источника, и, следовательно, не учитываются тепловые потери, возникающие в действительном цикле при сгорании топлива в двигателе.

3. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой. При этом условии не рассматриваются те тепловые потери, которые возникают в действительном цикле во время процессов сжатия и расширения.

Принятые допущения облегчают рассмотрение термодинамического цикла вследствие более простых аналитических соотношений, что позволяет выделить влияние тех факторов, которые определяют экономичность и эффективность цикла. Вместе с тем отсутствие учета потерь приводит к тому, что расчетные показатели термодинамического цикла получаются более высокими, чем в реальных двигателях. Значение же анализа этих циклов заключается в том, что его результаты позволяют выяснить влияние основных термодинамических факторов на совершенство преобразования теплоты в механическую энергию и сравнить различные циклы по показателям их экономичности и эффективности.

Термодинамические циклы, как прототипы действительных циклов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания, различаются между собой по условиям сообщения теплоты рабочему телу и отдачи ее холодному источнику. Теплота может подводиться и отводиться на одном или нескольких участках цикла, причем подвод теплоты к рабочему телу и отдача ее холодному источнику могут происходить как с изменением, так и без изменения объема рабочего тела.

Экономичность термодинамического цикла характеризуется термическим КПД, представляющим собой отношение количества теплоты превращенной в работу, к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу. Наряду с экономичностью цикла такой же важной характеристикой является его эффективность, определяемая удельной работой цикла, т.е. работой, приходящейся на единицу разности максимального и минимального объемов рабочего тела при совершении им цикла.

Условия получения максимальной экономичности и максимальной эффективности могут не совпадать. Из курса термодинамики известно, что наивыгоднейшим по экономичности является цикл с изотермическим подводом и отводом теплоты. Однако практически осуществлять такой цикл в двигателе внутреннего сгорания нецелесообразно, т.к. удельная работа этого цикла в реальных пределах изменения состояния рабочего тела весьма мала. В некоторых случаях выбор цикла может определяться условием получения не наибольшей экономичности, а наибольшей удельной работы.

К основным выводам, сделанным в результате анализа термодинамических циклов, могут быть отнесены следующие:

1. Расширение пределов изменения объема рабочего тела при осуществлении цикла (увеличение степени сжатия, продолженное расширение и пр.) обеспечивает увеличение термического КПД, но осуществление продолженного расширения в поршневом двигателе приводит к уменьшению удельной работы (среднего давления цикла).

2. Экономичность нормального цикла со смешанным подводом теплоты возрастает по мере увеличения доли теплоты, подводимой при постоянном объеме, и уменьшения доли теплоты, подводимой при постоянном давлении». (Выделено мной, стр.7-20 Д.Н. Вырубов).

«Однако степень сжатия в бензиновых ДВС ограничивается во избежание взрывного сгорания (детонации)». («Теплотехника», стр.86).

«Теоретический цикл двигателей с сообщением тепла при постоянном давлении. Топливо впрыскивается в конце сжатия (несколько ранее точки с) через форсунку, мелко распыливается и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть (линия с сz). Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя ожидать резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением тепла в V=const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с сообщением тепла при р=const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне и почти постоянном давлении.

По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели». (И.М.Ленин. т.1. стр. 19-20).

«В ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием рабочей смеси около ВМТ время сгорания топлива (бензина) очень мало, поэтому можно принять, что процесс подвода теплоты осуществляется при постоянном объеме. В этом цикле ρ=1» («Теплотехника», стр.85).

(И.М.Ленин. т.1, стр.20).

Читать еще:  Двигатель 300m chrysler характеристика

По нашей классификации классическая термодинамика на данный момент знает 1 идеальный цикл с подводом теплоты по процессу V=const (или Стирлинга). Термодинамических разомкнутых циклов существенно больше. Ошибки анализа и расчета происходят при переходе от идеального цикла к термодинамическим разомкнутым и затем при переходе от термодинамических к теоретическим циклам. Поэтому начнем анализ с того, как теория трактует идеальный и термодинамические циклы и к чему это приводит.

Начнем с моментов, которые в приведенных цитатах нами выделены курсивом:

Дата добавления: 2017-04-05 ; просмотров: 1347 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Рабочий цикл двигателя

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одно проходу поршня.

Рабочий цикл дизеля может совершаться как за четыре такта (за два оборота коленчатого вала), так и за два такта (за один оборот коленчатого вала). В первом случае дизель называется четырехтактным, во втором — двухтактным.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из тех же тактов, что и рабочий цикл карбюраторного двигателя. Однако происходящие во время этих тактов процессы внутри цилиндров у карбюраторного двигателя и дизеля не одинаковы.

Во время такта впуска в цилиндр дизеля всасывается не горючая смесь, а воздух. Во время такта сжатия поступивший в цилиндр воздух сильно сжимается и вследствие этого нагревается до 500—700° С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается под большим давлением в мелкораспыленном состоянии топливо, которое, соприкасаясь с раскаленным воздухом, воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество газов и выделяя тепло.

Во время такта расширения под давлением газов поршень перемещается. Процессы при этом такте, а также при такте выпуска аналогичны процессам, происходящим в четырехтактном карбюраторном двигателе.

Таким образом, в любом четырехтактном двигателе только один такт рабочий, а остальные три — вспомогательные.

Рабочий цикл двухтактного дизеля существенно отличается от рабочего цикла четырехтактного: он совершается не за два, за один оборот коленчатого вала и состоит только из двух тактов.

Рис. Основные процессы, происходящие в цилиндрах двухтактного дизеля: а — продувка; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1 — поршень; 2 — нагнетатель; 3 — выпускной клапан; 4 — продувочные окна; 5 — ресивер блока; 6 — коленчатый вал; 7 — насос-форсунка

Первый такт (рис. а и б) происходит при перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней. Когда поршень 1 находится в нижней мертвой точке, свежий воздух под небольшим давлением поступает из нагнетателя 2 через ресивер 5 блока и продувочные окна 4 в цилиндр, вытесняя при этом остатки отработавших газов через открытый выпускной клапан 3. Когда поршень, перемещаясь вверх, перекрывает продувочные окна, а выпускной клапан закрывается, продувка цилиндра заканчивается. При дальнейшем перемещении поршня воздух в цилиндре сильно сжимается и нагревается. Когда поршень приближается к верхней мертвой точке, в цилиндр через насос-форсунку 7 впрыскивается под большим давлением топливо.

Второй такт (рис. в и г). Мелкораспыленное топливо, соприкасаясь с раскаленным воздухом, сгорает; при этом выделяется большое количество тепла, температура и давление газов резко возрастают. Под действием давления газов поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней, вращая коленчатый вал.

Когда поршень приближается к продувочным окнам, открывается выпускной клапан и значительная часть отработавших газов вследствие большого избыточного давления выходит из цилиндра. При дальнейшем движении поршня открываются продувочные окна, в цилиндр начинает поступать из ресивера блока чистый воздух, вытесняя через открытый выпускной клапан остатки отработавших газов.

Рабочий цикл на этом завершается.

Таким образом, в двухтактном двигателе, и это является его особенностью, рабочий ход поршня совершается при. каждом обороте коленчатого вала.

ЖРД закрытого цикла

ЖРД замкнутой схемы (ЖРД закрытого цикла) — жидкостный ракетный двигатель, выполненный по схеме с дожиганием генераторного газа. В ракетном двигателе замкнутой схемы каждый (либо один) из компонентов газифицируется в газогенераторе за счёт сжигания при относительно невысокой температуре с небольшой частью другого компонента, и получаемый горячий газ используется в качестве рабочего тела турбины турбонасосного агрегата (ТНА). Сработавший на турбине генераторный газ затем подаётся в камеру сгорания двигателя, куда также подаётся оставшаяся часть неиспользованного компонента топлива. В камере сгорания завершается сжигание компонентов с созданием реактивной тяги.

В зависимости от того, какой именно компонент газифицируется полностью, различают двигатели закрытой схемы с окислительным генераторным газом (примеры: РД-253, РД-170/171, РД-180, РД-120, НК-33, РД0124 (РД0124А) [1] ), с восстановительным генераторным газом (примеры: РД-0120, SSME, РД-857, LE-7 [en] /LE-7A) и с полной газификацией компонентов (РД-270, Раптор).

Читать еще:  Аэрозоль для облегчения запуска двигателя

Содержание

  • 1 История
  • 2 Сравнение с другими схемами
  • 3 Замкнутая схема с полной газификацией компонентов
    • 3.1 Проекты двигателей с полной газификацией
  • 4 Примечания
  • 5 Ссылки

История

Замкнутая схема ЖРД была впервые предложена А. М. Исаевым в 1949 году. Первый двигатель, созданный по этой схеме, был ЖРД 11Д33 (С1.5400), разработанный бывшим помощником Исаева Мельниковым, который использовался в создаваемых советских ракетах-носителях (РН) [2] [3] . Примерно в то же время, в 1959 году, Н. Д. Кузнецов начал работу над ЖРД с замкнутой схемой НК-9 для баллистической ракеты ГР-1 конструкции С. П. Королёва. Кузнецов позже развил эту схему в двигателях НК-15 и НК-33 для неудачной лунной РН Н1 и Н1Ф. Модификацию двигателя НК-33, ЖРД НК-33-1, планируется использовать на центральной ступени РН «Союз-2-3». Первый некриогенный ЖРД закрытой схемы РД-253 на компонентах гептил/N2O4 был разработан В. П. Глушко для РН «Протон» в 1963 году.

После неудачи программы разработки РН Н1 и Н1Ф, Кузнецову было приказано уничтожить технологию разработки ЖРД НК-33, но вместо этого десятки двигателей были законсервированы и помещены на склад. В 1990-х специалисты Аэроджет посетили это предприятие, в ходе которого была достигнута договорённость о демонстрационных испытаниях двигателя в США для подтверждения параметров удельного импульса и других спецификаций [4] . Российский двигатель РД-180, закупаемый компанией Локхид Мартин и позже ULA для РН «Атлас III» и «Атлас V», также использует замкнутую схему с дожиганием генераторного газа, который перенасыщен окислителем.

Первым ЖРД замкнутой схемы на Западе был лабораторный двигатель, созданный в 1963 году немецким инженером Людвигом Бёльковым.

Маршевый двигатель космического челнока RS-25 (SSME) является ещё одним примером ЖРД замкнутой схемы и является первым двигателем данного типа, которые использовали компоненты кислород/водород. Его советским аналогом является РД-0120, использовавшийся в центральном блоке системы РН «Энергия».

Сравнение с другими схемами

В отличие от двигателей открытой схемы, в двигателе замкнутой схемы генераторный газ после срабатывания на турбине не выбрасывается в окружающую среду, а подаётся в камеру сгорания, участвуя таким образом в создании тяги и повышая эффективность двигателя (удельный импульс).

В двигателе закрытой схемы расход рабочего тела через турбину ТНА существенно выше, чем в двигателе открытой схемы, что делает возможным достижение более высоких давлений в камере сгорания. При этом размеры камеры сгорания уменьшаются, а степень расширения сопла увеличивается, что делает его более эффективным при работе в атмосфере.

Недостатком этой схемы являются тяжёлые условия работы турбины, более сложная система трубопроводов из-за необходимости транспортировки горячего генераторного газа к основной камере сгорания, что имеет большое влияние на общую конструкцию двигателя и усложняет управление его работой.

Замкнутая схема с полной газификацией компонентов

Замкнутая схема с полной газификацией компонентов топлива представляет собой разновидность замкнутой схемы, в которой осуществляется газификация всего топлива в двух газогенераторах: в одном небольшая часть горючего сжигается с почти полным расходом окислителя, а в другом — почти полный расход горючего сжигается с оставшейся частью окислителя. Получившиеся генераторные газы используются для привода турбонасосных агрегатов (ТНА).

Большой расход рабочего тела через турбины турбонасосов позволяет получать очень высокие давления в камере сгорания двигателя. При использовании данной схемы турбины могут иметь ме́ньшую рабочую температуру, так как через них проходит бо́льшая масса, что должно привести к более продолжительному функционированию двигателя и его бо́льшей надёжности. Наличие двух газогенераторов позволяет устанавливать топливные и окислительные насосы отдельно друг от друга, что снижает пожароопасность.

Полная газификация компонентов приводит также к более быстрым химическим реакциям сгорания в основной камере, что увеличивает удельный импульс ЖРД данной схемы на 10—20 сек — по сравнению с двигателями других схем. Например, двигатели РД-270 и РД-0244 (маршевый двигатель ДУ 3Д37 [en] БРПЛ Р-29РМ) имеют близкое давление в камере сгорания (26,1/27,5 МПа), но за счет газификации компонентов топлива достигается увеличение эффективности до 7—8 % (302/325 сек).

Сдерживающими факторами развития двигателей этого типа является их бо́льшая стоимость по сравнению с ЖРД других схем, а также допустимые температуры, при которых могут находиться химические компоненты до их сжигания в камере сгорания.

Проекты двигателей с полной газификацией

В СССР данная схема работы двигателя с полной газификацией компонентов была реализована в ЖРД РД-270 для окислительного и топливного независимых контуров в 1969 году.

Компания SpaceX разрабатывает и проводит испытания двигателя Раптор, который использует метан и кислород.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector