Теоретические основы действия энергетических машин, термодинамические параметры

Теоретические основы действия энергетических машин, термодинамические параметры. Уравнение состояния.

Теплотехника — наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин и устройств.

Теоретическими разделами теплотехники, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты, являются техническая термодинамика и теория теплообмена.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить

газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой состояние системы изменяется. Применительно к газу, используемому в тепловом двигателе в качестве рабочего тела, изменение состояния газа будет в общем случае проявляться в изменении его температуры, удельного объема и давления. Эти характерные для данной системы величины называют основными термодинамическими параметрами ее состояния.

Непрерывно протекающее изменение состояния системы, происходящее в результате ее механического, теплового или в общем случае тепломеханического взаимодействия с окружающей средой, называют термодинамическим процессом.

Процесс преобразования теплоты в работу осуществляется в тепловых двигателях с помощью рабочего тела. Обычно в качестве рабочего тела используются газы и пары, так как они обладают большим коэффициентом теплового расширения и могут при нагревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела.

При теорет. изучении газообразных тел (газов) обычно используют так называемый идеальный газ,между молекулами кот-го отсутствуют силы взаимодействия, а сами молекулы принимаются за материальные точки, не имеющие объема. В природе нет идеальных газов.

Беспорядочно движущиеся молекулы газа, находящегося в замкнутом сосуде, ударяются о стенки этого сосуда. Совокупность таких ударов воспринимается стенками сосуда как некоторое непрерывно действующее на них усилие. Величину такого среднего результирующего усилия, приходящегося на единицу поверхности сосуда и действующего по нормали к ней, называют давлениемгаза. Давление измеряют в ньютонах на квадратный метр (н/м 2 ).

Давление газа можно измерить также высотой столба жидкости, соприкасающейся с этим газом. Если в сосуде находится газ и этот сосуд с помощью U-образной трубки соединить с окружающей атмосферой, то жидкость, залитая в колено трубки, при абсолютном давлении газа, превышающем окружающее атмосферное (барометрическое) давление, займет такое положение, что уровень ее в правом колене трубки будет выше, чем в левом, на высоту h (рис. 15, а).

Рис. 15. Измерение давления газа в сосуде, когда оно выше атмосферного (а) и ниже атмосферного (б).

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютнымназывают действительное давление рабочего тела внутри сосуда. Под избыточнымдавлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей среды. Прибор для замера этой разности давлений, называется манометром, а избыточное давление называют и манометрическим.

Когда давление в сосуде превышает давление окружающей среды:

Р а =Р м +Р б (16), где р_а _ абсолютное давление в сосуде; р_л, _ манометрическое давление;^-давление окружающей среды (барометрическое давление).

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называют разрежением или вакуумом. Для измерения его служит вакуумметр — прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления газа в сосуде. В этом случае (17)

где р„. разрежение.

Для измерения небольших давлений пользуются жидкостными приборами, заполненными водой, ртутью или другой жидкостью.

Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела. Удельный объем обозначают буквой v и измеряют в кубических метрах на килограмм (м 3 /кг).

Под плотностьюрабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т. е. массу вещества в 1 м 3 рабочего тела. Из этого следует:

Плотность и удельный объем являются величинами, обратными друг другу.

Температураявляется мерой степени нагретости тела. Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направление передачи тепла. Температуру измеряют либо по абсолютной шкале в градусах Кельвина (обозначается через Т, °К), либо по Международной стоградусной шкале в градусах Цельсия (обозначается через t, °C). Соотношение между величинами 7″ и / определяется формулой

Состояние газа, определяемое параметрами р = 101325 н/м = 760 мм рт. ст. и t = 0 °С, называют нормальными условиями.

В соответствии с законом Авогадро при нормальных условиях (Т = 273,16 Кир =101325 Па) объем киломоля любого газа составляет

22,4ТО» 3 «** /моль. Тогда v = 22,4/,u, где ц — относительная молекулярная масса газа, кг/моль.

Для равновесного состояния идеального газа связь между основными параметрами для единицы массы имеет вид: (18), где R — универсальная газовая постоянная, Дж/(кг-К). Для произвольной массы m урав-е Клайперона:

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей
Преобразование энергии в тепловых двигателях
Адиабатный процесс и цикл Карно
Теория и практика

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

Читать еще: В чем отличие двухтактного двигателя от четырехтактного мотоцикла

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться. Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1% — 2% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь. Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd соответствует полезной работе. Площадь фигуры V₁abcV₂ – это работа прямого хода, площадь V₂cdaV₁ – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*V k = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Читать еще: Асинхронный двигатель с самозапиткой своими руками

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника T_X = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается КПД=60%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.

Двигатель Стирлинга(Двигатель внешнего сгорания)

Содержание

1 Описание
2 Принцип Работы
3 Классификация двигателей Стирлинга
4 Плюсы
5 Недостатки
6 Рабочая версия двигателя
7 Ссылки

Описание [ править ]

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Принцип Работы [ править ]

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — область охлаждения. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Классификация двигателей Стирлинга [ править ]

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Читать еще: Что является истинным двигателем мировой истории согласно гегелю

Плюсы [ править ]

КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
В ДВС сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).

Недостатки [ править ]

Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.
Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Рабочая версия двигателя [ править ]

Глава 3. ВРД как тепловая машина и движитель

Авиационная СУ служит для преобразования располагаемой (химической) энергии топлива в работу передвижения ЛА. В общем случае это осуществляется в два этапа:

· располагаемая энергия топлива превращается в механическую;

· механическая энергия превращается в полезную работу передвижения ЛА.

Каждый из этих этапов характеризуется своими особенностями и специфическими потерями энергии. Поэтому при изучении основных закономерностей рабочего процесса целесообразно вначале проанализировать два указанных этапа преобразования энергии и только после этого рассматривать двигатель в целом: ввести общие критерии эффективности и изучать их зависимость от различных факторов.

I-s диаграмма рабочего процесса ГТД

Представим, что во всех характерных сечениях двигателя известны значения статического давления и температуры. Если их представить в i-s координатах, то получим диаграмму рабочего процесса ВРД (рис.3.1).

Рис.3.1. Диаграмма рабочего процесса ВРД:

реальный цикл

-В динамическое повышение давления во входном устройстве;

В-К механическое повышение давления в компрессоре;

К-Г подвод тепла в камере сгорания;

Г-Т расширение газа в турбине;

Т-С расширение газа в выходном устройстве;

С- изобарический ( =const) процесс отвода тепла во внешнюю среду.

— удельная работа динамического повышения давления воздуха в воздухозаборнике;

— удельная работа повышения давления воздуха в компрессоре;

— тепло, подведенное к 1 кг воздуха;

— удельная работа расширения газа в турбине;

— удельная работа расширения газа в выходном устройстве;

— тепло, отведенное от 1 кг рабочего тела в атмосферу

— суммарная работа на повышение давления воздуха;

— суммарная работа расширения.

Работа цикла ВРД

Физический смысл работы цикла: работа цикла – это полезно используемое тепло, т.е. разность между теплом, подведенным к 1 кг рабочего тела и отведенным от него. Следовательно:

Определим работу цикла ВРД из уравнения энергии, которое запишем для сечения на входе и выходе из двигателя ( Н-Н и С-С):

;

; . (3.1)

Как видно из уравнения (3.1), работа цикла в общем случае затрачивается на механическую работу и на приращение кинетической энергии рабочего тела, проходящего через основной контур двигателя.