Для использования теплоты газов, являющихся продуктами сгорания топлива в котельном агрегате, в газоходах последних устанавливаются воздухоподогреватели воздуха, необходимого для горения топлива (рис. 1). Уходящие из котла газы поступают к воздухоподогревателю с температурой t1/ и охлаждаются, отдавая теплоту воздуху, до t1//. В газоходе котельного агрегата под влиянием работы дымососа устанавливается давление несколько ниже атмосферного. Воздух в воздухоподогревателе нагревается от температуры t2/ до температуры t2//.
Рис. 1
При испытании котельного агрегата были получены следующие данные:
1. Температура газов при входе в воздухоподогреватель, t1/ = 300 0С.
2. Температура газов при выходе из воздухоподогревателя, t1// = 120 0С.
3. Температура воздуха при входе в воздухоподогреватель, t2/ = 20 0С.
4. Температура воздуха при выходе из воздухоподогревателя, t2// = 170 0С.
5. Объемный состав дымовых газов – СО2 =20,5%; Н2О =5,4%; О2 =17,3%; N2 =56,8%.
6. Часовой расход газов при t1// составляет 50×103 м3/ч.
7. Разряжение в газоходе – 15 мм вод. ст.
8. Барометрическое давление – 760 мм рт. ст.
Определить:
1. Кажущийся молекулярный вес дымовых газов.
2. Газовую постоянную дымовых газов.
3. Весовые (массовые) доли отдельных компонентов, входящих в состав дымовых газов.
4. Парциальные давления компонентов.
5. Часовой расход воздуха.
Принять, что все тепло, отданное газом, воспринято воздухом. Зависимость теплоемкости от температуры считать криволинейной.
Решение:
1. Кажущийся молекулярный вес дымовых газов:
2. Газовая постоянная дымовых газов:
Дж/(кг×К).
3. Массовые доли компонентов газов:
4. Парциальные давления компонентов:
Па.
Результаты расчета представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета примера задания к разделу 1
| Параметры | СО2 | Н2О | О2 | N2 | Газовая смесь |
| ri | 0,14 | 0,09 | 0,162 | 0,608 | 1,000 |
| m i, кг/кмоль | 29,988 | ||||
| ri×mI, кг/кмоль | 6,16 | 1,62 | 5,184 | 17,024 | - |
| mi | 0,205 | 0,054 | 0,173 | 0,568 | 1,000 |
| рi ×10-5, Па | 0,142 | 0,091 | 0,164 | 0,615 | 1,012 |
5. Часовой расход воздуха.
Расход воздуха определяется из уравнения теплового баланса воздухоподогревателя
.
Значения теплоемкостей компонентов дымовых газов и воздуха находим по приложению 1; значения теплоемкостей дымовых газов и воздуха рассчитываем по формулам. Средняя удельная теплоемкость компонентов при p =const в интервале температур 0…300 0С:
· 29,290= 31,691 кДж/(кмоль×К);
в интервале температур 0…120 0С:
0,14×38,5066+0,09×33,8214+0,162×29,6206+0,608×29,0686=
= 30,907 кДж/(кмоль×К);
в интервале температур 300…120 0С:
кДж/(кмоль×К);
кДж/(Н·м3×К).
Средняя теплоемкость воздуха при p =const в интервале температур 20…170 0С:
кДж/(кмоль×К);
кДж/(Н·м3×К).
Объем, занимаемый дымовыми газами, приведенный к нормальным условиям (н.у.):
нм3/ч.
Часовой расход воздуха:
нм3/ч.
II. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Для выполнения второго раздела задания необходимо изучить следующие вопросы: основные газовые процессы, второй закон термодинамики, круговые процессы, циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Циклом или круговым процессом называют совокупность термодинамических процессов, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в исходное состояние. Работа кругового процесса l0 изображается в р-v диаграмме (рис. 2) площадью, заключенной внутри замкнутого контура цикла. В результате осуществления прямого цикла (направление по часовой стрелке) совершается положительная работа. При обратном цикле (против часовой стрелки) работа считается отрицательной. Прямой цикл характерен для тепловых двигателей (l0 >0), обратный – для холодильных установок (l0 <0).
Если обозначить через q1 и q2 соответственно количество подведенного и отведенного от рабочего тела теплоты, то полезно использованная в цикле теплота находится по формуле:
.
Это количество теплоты в диаграмме T-s изображается площадью, заключенной внутри замкнутого цикла (рис. 3). Эта же площадь представляет собой и величину работы за один цикл. Степень совершенства процесса превращения теплоты в работу в круговых процессах характеризуется термическим к.п.д.
Рис. 2 Рис. 3
В поршневых ДВС рабочим телом являются смесь воздуха и горючих газов или паров жидкого топлива (на начальном участке цикла) и газообразные продукты сгорания (на остальных участках цикла). Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания), с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто). Принцип действия двигателей с подводом теплоты при v =const ясен из рис. 4, на котором изображены схема и индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя. Идеализированный рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей (двигателей быстрого сгорания) при v =const (при условии, что он осуществляется 1 кг рабочего тела) изображается на р-v и T-s диаграммах, как указано на рис. 5 и 6.
Рис. 4 Рис. 5
Рис. 6
Действительный разомкнутый цикл состоит из процессов: o-a – всасывание; a-b – сжатие рабочей смеси; b-c – горение топлива, воспламененного от электрической искры, и подвод теплоты; c-d – рабочий ход, осуществляемый при расширении продуктов сгорания; d-е-o – отвод теплоты, соответствующий в четырехтактных двигателях выхлопу газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выхлопу и продувке цилиндра.
На диаграммах: 1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела; 2-3 – изохорный подвод теплоты; 3-4 – адиабатное расширение рабочего тела; 4-1 – условный изохорный процесс отвода теплоты, эквивалентный выпуску отработанных газов.
Задаваемые параметры цикла Отто:
- степень сжатия (отношение всего объема цилиндра к объему камеры сжатия);
- степень повышения давления (температуры) при подводе теплоты;
р1, Т1 – начальные параметры.
Параметры рабочего тела для идеального газа, теплоемкость сv которого считается постоянной, будут следующими:
В точке 1: 
В точке 2: 
В точке 3: 
В точке 4: 
Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:
Термический к.п.д. цикла находят по формуле:
Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия e и с ее увеличением возрастает. Практически повышение степени сжатия ограничивается температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси и детонационной стойкостью топлива. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10.
Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля). В отличие от цикла Отто, в ДВС с подводом теплоты при p =const сжимается не горючая смесь, а воздух, и затем, с получением высоких давления и температуры, обеспечивается самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении.
Цикл Дизеля изображен на рис. 7 и 8. Идеализированный цикл такого ДВС осуществляется следующим образом: рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2; изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.е. подводу теплоты; рабочий ход выражен адиабатным расширением продуктов сгорания 3-4; изохора 4-1 характеризует отвод теплоты, заменяя для четырехтактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и всасывание новой порции воздуха, а для двухтактных – выхлоп и продувку цилиндра.
Рис.7 Рис.8
Задаваемые параметры цикла Дизеля:
- степень сжатия;
- степень предварительного расширения при подводе теплоты;
р1, Т1 – начальные параметры.
Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:
В точке 1: р1 , Т1, 
В точке 2: 
В точке 3: 
В точке 4: 
Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:
Термический к.п.д. цикла Дизеля находят по формуле:
Термический к.п.д. двигателей, работающих по циклу Дизеля, зависит: от степени сжатия e, с увеличением которой к.п.д. возрастает; степени предварительного расширения r, с увеличением которой к.п.д. уменьшается. Нижний предел e определен необходимостью получения в конце сжатия температуры, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива (eк-1>Твоспл/Т1). Верхний предел e ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увеличению потерь на трение. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 20.
Цикл ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера). В ДВС со смешанным подводом теплоты сочетаются преимущества как цикла Отто, так и цикла Дизеля. Схема бескомпрессорного дизеля, работающего по циклу Тринклера, приведена на рис. 9. В таком дизеле распыл топлива производится топливным насосом высокого давления, а компрессор, применяемый при пневматическом распыле топлива, отсутствует. Идеализированный цикл такого ДВС изображен на рис. 10 и 11 и осуществляется по следующей схеме: адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива; изохора 2-3 соответствует процессу горения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки; расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5; изохора 5-1 соответствует выхлопу отработанных газов в атмосферу.
Рис. 9
Рис. 10 Рис. 11
Задаваемые параметры цикла Тринклера:
- степень сжатия;
- степень повышения давления;
- степень предварительного расширения;
р 1, Т 1 – начальные параметры.
Параметры рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:
В точке 1: р 1, T 1, 
В точке 2: 
В точке 3: 
В точке 4: 
В точке 5: 
Расчет подведенной и отведенной теплоты и работы за цикл проводится по формулам:
Термический к.п.д. цикла находят по формуле:
Термический к.п.д двигателей, работающих по циклу Тринклера, как и термический к.п.д двигателей, работающих по циклам Отто и Дизеля, возрастает с увеличением степени сжатия e и, кроме того, зависит от l и r. Степень сжатия в реальных двигателях такого типа достигает 18.
Функции состояния рабочего тела для идеального газа с постоянной теплоемкостью определяются следующими зависимостями:
где Тн, рн – температура и давление при нормальных физических условиях (н.у.);
R – индивидуальная газовая постоянная воздуха.
При расчетах циклов ДВС необходимо знать зависимости между параметрами состояния в различных процессах. Эти зависимости приводятся в табл. 4.
Таблица 4
Основные зависимости термодинамических процессов
| Процесс | Характеристика процесса | Зависимость между параметрами | Количество теплоты | Изменение энтропии |
| Изохорный | v =const | 
| 
| 
|
| Изобарный | р =const | 
| 
| 
|
| Изотер-мичес-кий | T =const | 
| 
| 
|
| Адиабатный | s =const | 
| 
| 
|
