Классификация технических систем

Технические системы целесообразно разделить на три класса:

1) Преобразования энергии;

2) Преобразования вещества и энергии;

3) Производства изделий.

1.2.6.1 Технические системы преобразования энергии

Это закрытые термодинамические системы, в которых как на входе, так и на выходе отсутствуют потоки вещества и через контрольную поверхность проходят только потоки энергии разного вида.

Соответственно в обоих частях уравнения эксергетического баланса системы (1.4) не будет членов, относящихся к потокам вещества ( ).

К таким системам относят те, в которых протекает замкнутый процесс – цикл: тепловые насосы, холодильные установки.

Вместе с тем при анализе внутренних процессов преобразования энергии (внутри контрольной поверхности) в таких системах следует учитывать энергию и эксергию потоков вещества.

1.2.6.2 Технические системы преобразования вещества и энергии

Это открытые термодинамические системы, в которых как на входе, так и на выходе могут быть потоки и вещества, и энергии (например, эжектор, теплообменник). По существу это скорее отдельные элементы изучаемых термодинамических систем.

1.2.6.2 Технические системы производства изделий

В технических системах производства изделий на выходе получается такая продукция, ценность которой нельзя измерить в энергетических единицах – книги, автомобили, колбаса.

Однако, в технологической цепочке производства можно выделить элементы (подсистемы), в которых на входе и выходе имеются только потоки вещества и энергии. В этом случае производится оценка термодинамической эффективности (эксергетическим методом) и совершенствование соответствующих подсистем, а, следовательно, и системы в целом.

Термодинамический анализ и его приложение к техническим системам

Эксергетический баланс технической системы и ее частей определяет все происходящие в ней превращения энергии и веществ.

С помощью эксергетического баланса возможно определить:

1) Распределение и характеристики потерь;

2) Значения КПД отдельных частей и системы в целом;

3) Долю каждой части и характеристики связей между ними;

4) Взаимодействие системы с окружающей средой.

Эта информация может служить для дальнейшей работы по усовершенствованию системы.

Особое значение имеет раздельное определение внутренних  и внешних  потерь эксергии.

 – отражают несовершенство внутренних преобразований вещества и энергии в системе.

 – отражают несовершенство преобразований вещества и энергии при взаимодействии системы с окружающей средой.

Эксергетический баланс дает возможность установить предельные значения, до которых может быть снижена эксергиявещества и энергии на выходе из системы для получения заданного результата.

В идеальном случае, достижение максимального эксергетического КПД, согласно уравнению (1.3), ,возможно при отсутствии потерь эксергии .

Минимальное значение  определяется технически достижимым .

Анализ технических систем на основе эксергетического баланса возможен на всех стадиях проектирования и эксплуатации систем с целью их оптимизации.

Термодинамическая оптимизация системы сводится к тому, чтобы, изменяя те или иные ее параметры или структуру, получить как можно большую ее термодинамическую эффективность, т.е. максимальный .

 Термодинамическая оптимизация не всегда должна проводиться на базе эксергетического баланса.

Существует ряд систем, например, теплосиловые паротурбинные и газотурбинные установки, предназначенные только для выработки механической энергии (преобразуемой затем в электрическую).

В этом случае эффективный термический КПД  (определенный как отношение мощности на выходе к теплотворной способности топлива на входе) будет мало отличаться от эксергетического КПД .

По сути, эффективный термический КПД  является коэффициентом преобразования энергии в теплосиловой установке, и его экстремум будет находиться там же, где экстремум .

ТДЭФФ-2

ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Общие сведения

До 70-80-х годов 19 века единственным источником механической работы являлась паровая машина с низким термическим КПД установки.

Машины, где топливо сжигается непосредственно в цилиндре под поршнем, наз. двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

В 1877 г. немецкий инженер Отто построил бензиновый двигатель.

В 1897 г. немецкий инженер Дизель разработал двигатель высокого сжатия, работавший на керосине, который распылялся в цилиндре воздухом высокого давления от компрессора.

Инженер Мамин в 1893 г. создал двигатель высокого сжатия, работавший на сырой нефти при бескомпрессорном механическом распылении топлива.

В 1904 г. русский инженер Тринклер построил бескомпрессорный двигатель, в котором сгорание топлива сначала происходило при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель со смешенным сгоранием топлива получил широкое распространение во всем мире.

Все современные поршневые ДВСразделяют на 3 группы:

1) С быстрым сгоранием топлива при постоянном объеме            ;

2) С постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении ;

3) Со смешанным сгоранием топлива частично при постоянном объеме  и частично при постоянном давлении .

При исследованиях идеальных термодинамических циклов поршневых ДВС обычно определяют:

Ø Количество подведенной и отведенной теплоты;

Ø Основные параметры состояния в типичных точках цикла;

Ø Термический КПД цикла;

Ø Производят анализ термического КПД.

Основными характеристиками или параметрами любого цикла ДВС являются следующие безразмерные величины:

С т е п е н ь    с ж а т и я:

                                       (2.1)

Отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия.

С т е п е н ь    п о в ы ш е н и я    д а в л е н и я:

                                       (2.2)

Отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты.

С т е п е н ь    п р е д в а р и т е л ь н о г о   р а с ш и р е н и я   или с т е п е н ь   и з о б а р н о г о  р а с ш и р е н и я:

                                       (2.3)

Отношение объемов в конце и в начале изобарного подвода теплоты.

2.2 Цикл с подводом теплоты в процессе

Исследование работы реального поршневого двигателя производят по индикаторной диаграмме, на которой приводится изменение давления в цилиндре, в зависимости от положения поршня за весь цикл.

Рис. 2.1 Индикаторная диаграмма реального поршневого двигателя с быстрым сгоранием топлива при

В качестве топлива в таких двигателях применяют легкие топлива: бензин, спирт, генераторный или светильный газ.

0-1 – линия всасывания. При ходе поршня из левого «мертвого» положения в крайне правое – засасывается горючая смесь, состоящая из паров, мелких частиц топлива и воздуха. 0-1 – не является термодинамическим процессом – не изменяются основные параметры, изменяется массовое количество и объем смеси в цилиндре.

1-2 – линия сжатия. При обратном движении поршня всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие смеси.

В т.2, когда поршень немного не дошел до левого «мертвого» положения – происходит воспламенение горючей смеси от электрической искры.

2-3 – почти мгновенное сгорание горючей смеси (практически при постоянном объеме). В результате сгорания топлива температура газа резко возрастает и давление увеличивается – т.3

3-4 – линия расширения. Поршень перемещается в правое «мертвое» положение – газы расширяются и совершают полезную работу.

В т.4 открывается выхлопной клапан и давление в цилиндре падает почти до наружного давления.

4-0 – линия выхлопа. При дальнейшем движении поршня справа налево из цилиндра удаляются продукты сгорания через выхлопной клапан при давлении несколько превышающем атмосферное.

Рабочий процесс реального двигателя совершается за четыре хода поршня – такта или за два оборота вала. Такие ДВС наз. четырехтактными.

Цикл реального ДВС не является замкнутым и состоит из необратимых процессов, т.к. имеют место:

¾ Трение;

¾ Химические реакции в рабочем теле;

¾ Конечные значения скоростей поршня;

¾ Теплообмен при конечной разности температур, и т.д.

Анализ такого цикла с точки зрения теории тепловых процессов невозможен.

Поэтому термодинамика исследует идеальные циклы ДВС, состоящие из обратимых процессов.

Допущения при исследованиях:

1. Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью;

2. Цилиндр заполнен постоянным количеством рабочего тела;

3. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется не за счет сжигания топлива, а от внешних источников;

4. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом - бесконечно мала;

5. Разность температур между приемником теплоты и рабочим телом - бесконечно мала;

Изучение идеальных термодинамических циклов позволяет производить при принятых допущениях анализ и сравнение работы различных ДВС, их экономичность.

Рис. 2.2 Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты в процессе  в pv- TS-координатах

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл, состоящий из двух изохор и двух адиабат.

Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁, и T₁ сжимается по адиабате 1-2 то т.2.

По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты q₁.

Рабочее тело расширяется по адиабате 3-4.

По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние и при этом отводится теплота q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются: степень сжатия  и степень повышения давления .

Определяем термический КПД цикла, считая, что изохорная теплоемкость  и величина k постоянны:

Количество подведенной теплоты:

 ,

Количество отведенной теплоты:

 

Тогда термический КПД цикла:

 

        (2.4)

 

Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:

 

В точке 2:

 

В точке 3:

 

В точке 4:

 

Подставив найденные значения температур в уравнение (2.4), получим:

 

                                          (2.5)

 

Из уравнения (2.5) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия  и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела. От степени повышения давления КПД этого цикла не зависит.

 

В таблице 2.1 приведены величины термического КПД цикла с быстрым сгоранием топлива при   при различных значениях и k.

Таблица 2.1

	k = 1,35	k = 1,4
3	32,0	36,0
4	38,0	43,0
5	42,5	47,5
6	46,5	51,5
7	49,4	55,0
8	51,7	57,0
10	55,2	61,5

 

По TS-диаграмме КПД определим из соотношения площадей:

 

При равенстве количеств теплоты, подведенных в двух циклах,     пл. 67810 = пл. 6235, но при разных степенях сжатия КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, т.к. в теплоприемник отводится меньшее количество теплоты:

 

Увеличение степени сжатия ограничивается опасностью преждевременного воспламенения смеси, а также высокой скорости сгорания, что может вызвать детонацию (взрывное горение).

Для каждого топлива должна применяться оптимальная степень сжатия. В зависимости от вида топлива степень сжатия в этих двигателях:

КПД двигателей с подводом теплоты при   невысок.

 

Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела:

 

                     (2.6)

 

Величину  наз. средним индикаторным давлением. Это условное постоянное давление под действием которого поршень в течение одного хода совершает работу, равную работе всего цикла.

Для цикла с подводом теплоты при  среднее индикаторное давление:

 

                           (2.7)

 

 

 возрастает с увеличением: ; ; .

 

Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела также:

 

    (2.8)

 

2.3 Цикл с подводом теплоты в процессе

 

Исследование циклов с подводом теплоты при  показало, что для повышения экономичности таких двигателей необходимо применять высокие степени сжатия.

Степень сжатия ограничивается температурой самовоспламенения горючей смеси.

Если произвести раздельное сжатие воздуха и топлива – это ограничение отпадает.

 

Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется без всяких запальных приспособлений.

Раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешовое топливо – мазут, нефть, смолы, каменноугольные масла.

Такое раздельное сжатие воздуха и топлива осуществляется в двигателях, работающих с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении.

Воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора.

Раздельное сжатие позволяет применять высокие степени сжатия: (до ) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива.

Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается регулировкой топливной форсунки ( ДВС Дизеля).

Рассмотрим идеальный цикл ДВС с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении и с подводом теплоты при .

 

Рис. 2.3 Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты в процессе  в pv- TS-координатах

 

Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁, и T₁ сжимается по адиабате 1-2 то т.2.

По изобаре 2-3 рабочему телу сообщается количество теплоты q₁.

От т.3 рабочее тело расширяется по адиабате 3-4.

По изохоре 4-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние и при этом отводится теплота q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются: степень сжатия  и степень предварительного расширения .

Определяем термический КПД цикла, считая, что теплоемкости  и  , а также величина k =  постоянны:

 

Количество подведенной теплоты:

 ,

Количество отведенной теплоты:

 

Тогда термический КПД цикла:

 

      (2.8)

 

Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:

 

В точке 2:

 

 

В точке 3:

 

 

В точке 4:

 

Подставив найденные значения температур в уравнение (2.8), получим:

 

                                          (2.9)

 

Из уравнения (2.9) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия , показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела и степени предварительного расширения . С увеличением  и k – КПД этого цикла увеличивается, а с увеличением  – уменьшается.

 

В таблице 2.2 приведены величины термического КПД цикла с подводом теплоты при   при различных значениях и  при k = 1,35.

Таблица 2.2

 

			, бар	, К
	При	При
10	52,0	46,0	-	-
12	54,0	49,0	25,7	907
14	57,0	52,0	31,8	956
16	59,0	54,0	41,4	1020
18	61,9	56,7	-	-
20	63,0	56,0	-	-

 

По TS-диаграмме КПД определим из соотношения площадей:

 

При равенстве площадей отведенной теплоты в теплоприемник (пл.5146), КПД будет больше у цикла с большей степенью сжатия, т.к. площадь его полезной работы будет больше:

 

Для цикла с подводом теплоты при  среднее индикаторное давление:

 

 (2.10)

 

 возрастает с увеличением:  и .

 

Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела за один цикл:

 

                                                                                  (2.11)

 

 

2.4 Цикл с подводом теплоты в процессе при  и  , или цикл со смешанным подводом теплоты

Двигатели с постепенным сгоранием топлива при  имеют ряд недостатков:

§ На работу компрессора (для подачи топлива) расходуется 6 – 10% мощности двигателя;

§ Наличие компрессора усложняет конструкцию и уменьшает экономичность работы двигателя;

§ Сложные устройства насоса и форсунки;

§ Установка имеет значительнеый вес.

Г.В. Тринклер создал бескомпрессорный двигатель высокого сжатия с механическим распылением топлива при давлениях 500-700 бар, лишенный недостатков обоих приведенных типов двигателей.

Жидкое топливо топливным насосом подается через топливную форсунку в головку цилиндра (или в специальную предкамеру) в виде мельчайших капелек.

Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: вначале при , а затем при .

 

Рис. 2.4 Идеальный цикл ДВС с подводом теплоты в процессепри  и  в pv- TS-координатах

 

Идеальный газ с начальными параметрами p₁, v₁, и T₁ сжимается по адиабате 1-2 то т.2.

По изохоре 2-3 рабочему телу сообщается первая доля теплоты q₁′.

По изобаре 3-4 подводится вторая доля теплоты q₁′′.

От т.4 рабочее тело расширяется по адиабате 4-5.

По изохоре 5-1 рабочее тело возвращается в первоначальное состояние в т.1 и при этом отводится теплота q₂ в теплоприемник.

Характеристиками цикла являются: степень сжатия , степень повышения давления  и степень предварительного расширения .

Определяем термический КПД цикла, считая, что теплоемкости  и  , а также величина k =  постоянны:

 

Первая доля подведенной теплоты:

 ,

 

Вторая доля подведенной теплоты:

 

 

 

Количество отведенной теплоты:

 

Тогда термический КПД цикла:

 

 (2.12)

 

 

Параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла:

 

В точке 2:

В точке 3:

 

В точке 4:

В точке 5:

 

Подставив найденные значения температур в уравнение (2.13), получим:

 

     (2.14)

 

Из уравнения (2.14) следует, что термический КПД такого цикла зависит от степени сжатия , степени повышения давления  , степени предварительного расширения  и показателя адиабаты k, т.е. от природы рабочего тела.

С увеличением ,  и k – КПД этого цикла увеличивается, а с увеличением  – уменьшается.

 

По TS-диаграмме КПД определим из соотношения площадей:

 

Для этих двигателей обычно принимают:

 = 10 – 14;

 = 1,2 – 1,7;

 = 1,1 – 1,5;

 

Теоретическая полезная работа 1 кг рабочего тела за один цикл:

                                                                                  (2.15)

 

 

 

Для цикла со смешанным подводом теплоты среднее индикаторное давление:

 

         (2.16)

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒