Багатосхідчастий поршневий компресор

Принципова схема. Теоретична індикаторна діаграма в PV і TS- координатах трьохсхідчастого охолоджуваного компресора

 

 

І, ІІ, ІІІ—перший, другій і третій східці трьохсхідчастого компресора.

1—проміжні холодильники.

а-1—ізобарне всмоктування газу в першу східцю компресора;

1-2—політропний стиск газу в першій східці;

2-3—ізобарне охолоджування газу в першому проміжному холодильнику;

3-4— політропний стиск в другій східці;

4-5—ізобарне охолодження в другому проміжному холодильнику;

5-6— політропний стиск в третій східці;

6-в—ізобарне нагнітання стиснутого газу в резервуар високого тиску або мережу;

1-7—ізотермічне стискування газу в уявному ідеальному компресорі від Р₁ до Р₆;

1-6’— політропний стиск газу в компресорі в таких же межах тиску від Р₁ до Р₆.

Робота, що затрачається із зовні на стиск газу в ізотермічному процесі, є найменшою і еквівалентна

.

Робота, що підводиться із зовні на стиск газу в трьохсхідчастому компресорі з проміжними холодильниками еквівалентна .

Стиск газу в компресорі без проміжних холодильників є найменш ефективним, тому що робота, яка підводиться із зовні на стиск є найбільшою і еквівалентна площі . Таким чином використання в конструкції проміжних холодильників дає економію роботи, яка підводиться із зовні і еквівалентна площі і наближає реальний процес стиску до ідеального ізотермічного 1-7.

В TS- координатах площа фігури S₈₃₄₉₈ еквівалентна кількості теплоти, яку отримує газ при його стисненні в другій східці на ділянці 3-4, а площа фігури S₉₄₅₁₀₉ еквівалентна кількості теплоти, що відведена від газу в другому проміжному холодильнику при ізобарному охолодженні 4-5.

Робота, що підводиться із зовні на стиск на всіх ділянках і кількість теплоти, що виділяється при стиску і відводиться в проміжному холодильнику обчислюються, відповідно, за загальними формулами з понять роботи і теплоти.

В рекомендованій літературі приводяться рівняння для підрахунків теплоти і роботи для різних процесів і різних вхідних даних.

 

Лекція 10

Цикли двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Принцип дії поршневих ДВЗ із підводом теплоти при сталому тиску, сталому об’ємі та із змішаним підводом теплоти.

Цикли теплових двигунів. Цикли поршневих ДВЗ.

Усі теплові двигуни діляться на два основні типи:

1. Двигун внутрішнього згоряння. В яких паливно-повітряна суміш згоряє, ніби всередині конструкції двигуна. До них відносяться поршневі, газотурбінні, реактивні.

2. Теплові двигуни із зовнішнім згорянням паливно-повітряної суміші або підводом теплоти ПСУ, що встановлюють на теплових електричних станціях, АТЕС, ТЕЦ, АТЕЦ і т.д.

Поршневі ДВЗ мають ряд переваг над іншими двигунами—малі геометричні розміри і маса в порівнянні з ПСУ, вища температура верхнього джерела теплоти, тобто ширший діапазон температур робочого тіла, а отже і вищий термічний ККД.

В основі принципу дії поршневого ДВЗ є передача поступального руху поршня за допомогою кривошипно-шатунного механізму в обертальній рух вала.

Метою термодинамічного аналізу циклу будь-якого теплового двигуна є визначення величин, які безпосередньо впливають на термічний ККД даного двигуна, виявлення параметрів, що впливають на зміну термічного ККД і внесення подальших конструкційних удосконалень для зміни усіх параметрів і підвищення загального ККД.

При термодинамічному аналізі також визначають середній індикаторний тиск робочого тіла в процесі виконання ним циклу, що підраховується за формулою

,

де початковий і кінцевий об’єми робочого тіла, м³; питома зовнішня корисна робота виконана двигуном за цикл, Дж/кг.

Також визначається зовнішня корисна робота, що підраховується за такими загальними залежностями

,

де кількість підведеної теплоти до двигуна від верхнього джерела теплоти за цикл, Дж/кг; термічний ККД даного двигуна за цикл; кількість відведеної теплоти від двигуна до нижнього джерела теплоти, Дж/кг.

 

Лекція 11

Термодинамічний аналіз циклів ДВЗ з ізохорним, ізобарним і із змішаним підводом теплоти. Методи підвищення термодинамічного ККД циклів ДВЗ.

Термодинамічний аналіз поршневого ДВЗ з підводом теплоти при сталому об’ємі (цикл Отто, цикл бензинового двигуна).

Принципова схема та індикаторна діаграма.

 

 

1—впускний клапан;

2—випускний клапан;

3—електрична свічка;

4—поршень;

5—циліндр.

а-1—ізобарний впуск паливно-повітряної суміші через відкритий впускний клапан 1 в циліндр, в тому числі за рахунок тиску Р_атм.. При цьому поршень рухається із ВМТ до НМТ;

1-2—політропний стиск паливно-повітряної суміші до досягнення температури нижчої від температури самозаймання палива. Ця умова накладає межу верхнього тиску;

2-3—ізохорне (миттєве) згоряння паливно-повітряної суміші від електричної свічки;

3-4—політропне розширення продуктів згоряння (поршень рухається із ВМТ у НМТ)—робочий хід;

4-5—ізохорний майже миттєвий відвід теплоти з продуктами згоряння через відкритий випускний клапан 2;

5-в—повне ізобарне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня з НМТ у ВМТ і відкритому клапані 2;

в-а—ізохорне закриття клапана 2 і відкриття клапана 1.

.

Аналіз циклу в PV і TS координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла, що відповідає стиску паливно-повітряної суміші по політропі в циліндрі;

2-3—ізохорний підвід теплоти , що відповідає миттєвому згорянню паливно-повітряної суміші від електричної іскри в реальному двигуні;

3-4—адіабатне розширення робочого тіла, що відповідає робочому ходу;

4-1—ізохорний відвід теплоти з продуктами згоряння в оточуюче середовище.

Цей цикл характеризує наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску

.

Параметр відповідає конкретному конструкційному параметру двигуна ступені стиску, який для реального бензинового двигуна складає 7-14. Це число для двигуна обмежене температурою самозаймання паливно-повітряної суміші і залежить від антидетонаційних властивостей палива.

2. Ступінь підвищення тиску

.

змінюється в межах від 1,2 до 1,8. При термодинамічному аналізі циклів визначають вплив величин на його ріст для подальшого аналізу з метою підвищення цих величин і відповідною зміною в конструкцію двигуна.

визначається з наступних рівнянь

,

де .

З урахуванням рівнянь параметрів циклів і рівнянь адіабатних процесів 1-2 і 3-4 можна отримати вираз для в наступному вигляді

,

де показник адіабати робочого тіла.

З останнього виразу можна зробити наступні висновки.

1. залежить від ступеня стиску (конструкцій двигуна) і показника адіабати (властивостей робочого тіла).

2. Із зростанням зростає , але при досягненні зростання зменшується.

При досягнення можлива детонація двигуна. Детонація—некерований процес згоряння паливно-повітряної суміші, який є вибухоподібним, тобто згоряння починається ще до приходу поршня у ВМТ не від електричної свічки, а від температури паливно-повітряної суміші, що перевищує температуру самозаймання палива. При цьому падає потужність, швидко виходять з ладу конструкційні елементи і зростають витрати палива.

За допомогою РV- і TS- діаграм (площ фігур на них) можна обчислити роботу, затрачену на стиск (), роботу отриману при розширенні (), а приблизно рівна зовнішній корисній роботі, виконаній двигуном за циклом .

Термічний ККД можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах.

еквівалентна корисно використаній теплоті в даному циклі.

Існують методи підвищення – зменшення кількості відведеної теплоти без зміни підвищення теплоти , збільшення кількості теплоти без зміни відведеної теплоти , одночасне збільшення і зменшення .

Розглянемо методи підвищення термічного ККД на TS-діаграмі.

 

Для зменшення необхідно понизити температуру робочого тіла в кінці адіабатного процесу розширення, тобто більше охолодити робоче тіло після робочого ходу. Кількість відведеної теплоти .

В реальних двигунах зниження досягається наступними конструкційними змінами—використанням теплоти продуктів згорання для підігріву паливно-повітряної суміші перед впуском.

Для підвищення необхідно підвищити температуру Т₂ робочого тіла в кінці стиску, тоді . Підвищення в основному обумовлене підвищенням температури в кінці стиску, а отже і підвищенням ступеня стиску .

Одночасне збільшення і зменшення може досягтись наступним перерозподілом площ фігур в TS-координатах. Наприклад, найвища температура робочого тіла 3’ дещо зменшується до 3”, тоді кількість підведеної теплоти . Кількість відведеної теплоти стає дещо меншою .

Середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу підраховують за такими загальними формулами

 

Цикл поршневого ДВЗ з підводом теплоти при . Цикл Дизеля компресорного дизельного двигуна

Принципова схема та індикаторна діаграма

 

 

Ідея циклу двигуна Дизеля полягає в роздільному стиску повітря і палива, що сприяє зростанню ступені стиску , а отже збільшенню термічного ККД і підвищенню ефективності двигуна.

в-1—ізобарний впуск повітря через впускний клапан 1 при русі поршня із ВМТ до НМТ;

1-2—політропний стиск повітря до температури більшої за температуру самозаймання палива;

2-3—ізобарне повільне утворення паливно-повітряної суміші та її згоряння при подачі попередньо стиснутого і розпиленого компресором палива. В точці 2–робоче тіло повітря, в точці 3–продукти згоряння (змінились фізико-хімічні властивості робочого тіла);

3-4—продовження робочого ходу, політропне розширення робочого тіла;

4-5—ізохорний відвід теплоти з продуктами згоряння через випускний клапан 2;

5-а—повне очищення циліндра від продуктів згоряння через клапан 2 при русі поршня із НМТ до ВМТ;

а-в—ізохорне закриття клапана 2 і відкриття клапана 1.

Аналіз циклу в РV-і TS-діаграмах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла; 2-3—ізобарний підвід теплоти ; 3-4—адіабатне розширення робочого тіла; 4-1—ізохорний відвід теплоти .

Цикл характеризують наступні параметри.

1. Ступінь адіабатного стиску

.

2. Ступінь попереднього розширення

.

3. Ступінь адіабатного розширення

.

Термічний ККД підраховують із наступних рівнянь

де .

З урахуванням параметрів циклу , а також рівнянь адіабатних процесів 1-2 і 3-4 отримаємо вираз для термічного ККД в остаточному вигляді

,

де показник адіабати робочого тіла, який характеризує параметри робочого тіла.

Аналогічно, як і при аналізі циклу поршневого ДВЗ з підводом теплоти при сталому об’ємі, можна обчислити за допомогою площ фігур в TS-координатах, а також підрахувати зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за цикл з допомогою площ фігур в РV-координатах.

Існують методи підвищення , які полягають у наступному—збільшенні кількості теплоти без зміни , зменшенні без зміни , одночасному збільшенні і зменшенні .

При термодинамічному аналізі обчислюється середній індикаторний тиск робочого тіла за цикл і зовнішня корисна робота, виконана двигуном за цикл за наступними формулами

За допомогою РV- і TS-координат можна порівняти цикли поршневих ДВЗ з підводом теплоти при і при різних вхідних даних. Наприклад, коли температури в точці 2 для двох циклів однакові або, коли температури в точці 3 для двох циклів однакові.

 

Цикл поршневого ДВЗ із змінним підводом теплоти (цикл Трінклера)

Принципова схема та індикаторна діаграма.

 

 

1

1—впускний клапан;

2—випускний клапан;

3—передкамера;

4—форсунка;

5—один або декілька вузьких каналів, з’єднуючих передкамеру з циліндром.

 

 

а-1—ізобарне розширення повітря (заповнення через відкритий клапан 1);

1-2—політропний стиск повітря до температури, перевищуючої температуру самозаймання палива;

2-3—ізохорний підвід частини теплоти , що відповідає інтенсивному змішуванню і частковому миттєвому згорянню палива і повітря в передкамері 3;

3-4—ізобарний підвід решти теплоти , що відповідає згорянню паливно-повітряної суміші в камері згоряння на початку робочого ходу при русі поршня із ВМТ до НМТ. В точці 2 робоче тіло—повітря; в точці 3—суміш палива, повітря і продуктів згоряння; в точці 4—продукти згоряння;

4-5—політропне розширення продуктів згоряння або продовження робочого ходу;

5-6—ізохорний відвід теплоти з продуктами згоряння через відкритий клапан 2.

6-в—повне очищення циліндра від продуктів згоряння при русі поршня із НМТ до ВМТ;

в-а—ізохорне закриття клапана 2 і відкриття клапана 1.

Запропонований двигун не потребує як двигун Дизеля додаткового компресора для розпилювання палива. Розпилювання палива відбувається за рахунок конструкції форсунки 4, її розміщення в передкамері 3, геометричної форми передкамери 3.

Термодинамічний аналіз циклу РV та TS-координатах

1-2—адіабатний стиск робочого тіла;

2-3—підвід при ;

3-4—підвід при ;

4-5—адіабатне розширення робочого тіла;

5-1—відвід при .

Параметри циклу:

1. Ступінь адіабатного стиску

.

1. Ступінь підвищення тиску

.

1. Ступінь попереднього розширення

.

1. Ступінь адіабатного розширення

.

Термічний ККД підраховують із наступних рівнянь

З урахуванням рівнянь параметрів циклу і адіабатних процесів 1-2 і 4-5 можна отримати вираз для термічного ККД в кінцевому вигляді

.

зростає із збільшенням і з зменшенням .

Для таких двигунів, як правило, приймається =10-14;

можна підрахувати за допомогою площ фігур в TS-координатах по формулі

Існують методи підвищення , які полягають в збільшенні без зміни , зменшення без зміни , одночасному збільшенні і зменшенню .

Підрахувати середній індикаторний тиск і зовнішню корисну роботу, виконану двигуном за циклом можна за допомогою приведених вище відповідних рівнянь.

Доцільно порівняти цикли поршневих ДВЗ з підводом теплоти при V=const, при P=const, та при P=const і V=const для різних вхідних даних.

 

 

Лекція 12

Цикли газотурбінних установок (ГТУ) і паросилових установок (ПСУ). Принцип дії ГТУ. Цикли ГТУ з ізобарним підводом теплоти. Загальні відомості про цикли реактивних двигунів. Принципова схема ПСУ. Цикл Ренкіна і його термодинамічний аналіз.