Баланс теплоты и работы в тепловом двигателе

Баланс теплоты и работы в тепловом двигателе

Повседневные наблюдения и многочисленные опыты показывают, что осуществляться может не любой термодинамический процесс, при котором соблюдается первый закон термодинамики. В частности, самопроизвольная передача внутренней энергии от менее нагретого тела к более нагретому принципиально не запрещается первым законом термодинамики. Но никто и никогда не наблюдал, чтобы нагретое тело, будучи опущенным в холодную воду, нагрелось еще больше, тогда как вода при этом еще сильнее остыла бы. Точно так же, никто и никогда не наблюдал, чтобы какое-то тело увеличило свою потенциальную энергию, поднявшись на некоторую высоту, за счет уменьшения внутренней энергии, сопровождающегося соответствующим понижением температуры.

Обобщение огромного экспериментального материала позволило сформулировать второй закон термодинамики , указывающий направление, в котором могут протекать термодинамические процессы.

Невозможен термодинамический процесс, единственным результатом которого была бы передача внутренней энергии от менее нагретого тела к более нагретому (формулировка, принадлежащая немецкому физику Рудольфу Клаузиусу).

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет внутренней энергии, отнимаемой от какого-либо тела путем теплообмена (формулировка, принадлежащая английскому физику Уильяму Томсону).

Круговой процесс (или цикл) – это последовательность процессов, приводящих термодинамическую систему к исходному состоянию.

Фраза «единственным результатом» в формулировке Клаузиуса означает, что термодинамический процесс не должен вызывать изменений в окружающих телах. Например, в холодильных установках внутренняя энергия передается от холодильной камеры к более нагретой среде. Но при этом совершается работа над рабочим веществом и процесс совершения этой работы связан с изменениями в окружающих телах.

То же относится и к формулировке Томсона. «Превращение тепла в работу» в круговом процессе может происходить, если помимо тела, отдающего внутреннюю энергию путем теплообмена, в процесс вовлекается менее нагретое тело, которому передается часть внутренней энергии, отнятой у более нагретого тела.

Второй закон термодинамики лежит в основе работы любого циклически действующего теплового двигателя.

Цикличность работы теплового двигателя можно рассмотреть на примере кругового процесса, осуществляемого с некоторым количеством газа или пара.

Предположим, что мы впустили в цилиндр с плотно пригнанным поршнем определенное количество газа или пара, называемого рабочим телом. Рабочее тело, расширяясь, совершает работу против внешних сил. Любой цилиндр имеет конечные размеры, поэтому процесс расширения рабочего тела когда-то должен прекратиться. С прекращением же расширения, прекратится и процесс превращения внутренней энергии пара или газа в механическую энергию.

В приведенном примере мы имеем дело с тепловым двигателем однократного действия. К таким двигателям относится, например, огнестрельное оружие.

Для повторного расширения рабочего тела, а следовательно, и повторного совершения работы, рабочее тело необходимо сжать. Для этого поршень и рабочее тело должны быть переведены в первоначальное состояние. Но если рабочее тело сжимать при том же давлении, при котором оно расширялось, то полезная работа, совершенная за один цикл окажется равной нулю.

Чтобы полезная работа за один цикл отличалась от нуля, надо сжатие рабочего тела проводить при меньшем давлении, чем при расширении. Сказанное хорошо иллюстрируется на графике зависимости давления газа, находящегося в цилиндре под поршнем, от занимаемого им объема. Работа внешних сил над рабочим телом при расширении численно равна площади фигуры ₁– А –– В –₂, а при сжатии – площади ₂– В –– A –₁. Заштрихованная площадь, ограниченная замкнутой кривой, численно равна полезной работе, совершаемой рабочим телом за один цикл. Так как кривая В –– соответствует более низкой температуре, чем кривая ––, то это означает, что рабочее тело при сжатии должно контактировать с менее нагретым телом.

Таким образом, циклическим тепловым двигателем мы можем назвать тепловой двигатель, в котором путем использования повторяющихся циклов осуществляется превращение внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию.

Для работы циклического теплового двигателя необходимо наличие тела с температурой ₁, называемого нагревателем, тела с температурой ₂, называемого холодильником, и рабочего тела, которое, отнимая за один цикл от нагревателя количество теплоты , передает холодильнику количество теплоты и разность преобразует в работу.

В лаборатории промоделировать работу циклического теплового двигателя можно с помощью следующей установки.

В высокий химический стакан налита вода. На дне стакана находится анилин. Плотность холодного анилина лишь незначительно превышает плотность воды, но этого превышения достаточно, чтобы он в воде тонул. Поверхности воды касается дно другого стакана, заполненного холодной водой или льдом. Будем нагревать дно стакана, около которого находится анилин. При нагревании анилин расширяется, плотность его уменьшается. Как только она станет меньше плотности воды, анилин в виде капель всплывет к ее поверхности. Касаясь дна холодного стакана, анилин охлаждается, его плотность вновь увеличивается и он тонет. Процесс повторяется, пока существует разница температур между нижней и верхней частью воды в стакане с анилином. В данном опыте анилин моделирует рабочее тело тепловой машины, пламя служит нагревателем, стакан со льдом – холодильником.

Рассмотрим энергетический баланс цикла теплового двигателя.

Пусть рабочее тело, обладающее в начальном состоянии внутренней энергией , приобретает от нагревателя в процессе расширения количество теплоты и совершает положительную работу ₁. При этом внутренняя энергия его становится равной .

Пусть в процессе сжатия рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу ₂, возвращаясь при этом в исходное состояние.

Применяя к процессам расширения и сжатия рабочего тела первый закон термодинамики, получим:

После сложения этих выражений имеем:

где – работа, совершаемая рабочим телом за один цикл.

Понятно, что, чем больше при данном , тем экономичнее тепловой двигатель. На основании этого целесообразно под КПД. теплового двигателя понимать следующую величину:

Из этого выражения, в частности, вытекает, что Т ₁ – температура нагревателя, а Т ₂ – температура холодильника.

КПД реальных тепловых двигателей при одном и том же температурном интервале значительно меньше КПД цикла Карно. Вместе с тем, полученное Карно выражение для КПД играет большую роль в термодинамике, показывая пути повышения КПД реальных тепловых двигателей.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тепловой баланс — двигатель

Тепловым балансом двигателей внутреннего сгорания называют равенство между количеством теплоты, поступившим в цилиндр двигателя с топливом, с одной стороны, и статьями расхода этого топлива — с другой. [16]

Под тепловым балансом двигателя понимается распределение теплоты, получающейся при сгорании топлива, на полезную работу и потери при работе двигателя. [17]

Отсюда выводится тепловой баланс двигателя по фиг. [18]

Если проанализировать тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания , то сразу обнаруживается, что теплота, не превращенная в работу, слагается главным образом из тепла, уносимого продуктами сгорания при выхлопе, и теп лоты, отданной охлаждающей среде через стенки цилиндра. Когда выхлоп производится при небольшом избыточном давлении ( это осуществимо только в стационарных двигателях, где нет необходимости стремиться к предельной компактности двигателя), то теплота, уносимая продуктами сгорания при выхлопе, является термодинамически неизбежной потерей и может быть только косвенно использована для каких-либо целей подогрева. При больших избыточных давлениях выхлопа ( как в авиационных моторах) остаточное теплосодержание выхлопных газов может быть непосредственно использовано для получения дополнительной работы; с этой целью выхлопные газы направляют в газовую турбину, которая вращает нагнетатель, поджимающий воздух, подаваемый в двигатель. [19]

При рассмотрении теплового баланса двигателя внутреннего сгорания можно увидеть, что только около 30 % тепла, получаемого при сгорании топлива, преобразуется в механическую работу, в то время как 30 — 35 % уносится газами и примерно 30 % уходит непосредственно или через охлаждающие приспособления бесполезно в атмосферу. Поэтому вполне возможно использование тепла воды из радиатора или отработавших газов для отопления автомобиля. [20]

Таким образом, тепловой баланс двигателя указывает на большие возможности использования отработанного тепла, заключенного в охлаждающей воде и отработавших газов. [21]

Значения отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными, а изменяются в зависимости от нагрузки, степени сжатия, состава смеси, теплового состояния и угловой скорости коленчатого вала двигателя. В табл. 1 приведены примерные значения отдельных составляющих внешнего теплового баланса автомобильных двигателей при максимальной их мощности. [22]

Остаточный член QOCT теплового баланса двигателя включает следующие тепловые потери, связанные с: физической неполнотой сгорания, являющейся результатом недостаточно хорошего перемешивания топлива с воздухом; работой вспомогательных механизмов; трением в подшипниках коленчатого вала; прочими неучтенными потерями и неточностями теплового баланса. [23]

Величины отдельных составляющих теплового баланса двигателя не являются постоянными и изменяются в зависимости от нагрузки. [24]

Что понимают под тепловым балансом двигателя . [25]

Теплобалансовые испытания проводятся для составления теплового баланса двигателя . [26]

Двигатели с воздушным охлаждением изображена схема теплового баланса двигателя внутреннего сгорания , из которой видно, распределение тепловых потерь двигателя. [27]

Таким образом, при ориентировочных подсчетах можно считать, что тепловой баланс двигателя Дизеля или газового двигателя состоит из трех равных частей: полезного тепла, обращенного в механическую работу, тепла, отведенного с охлаждающей водой, и тепла, ушедшего с отходящими газами. Не учтены в этом балансе: механические потери и потери а излучение. [28]

Второй способ связан со значительными трудностями, поэтому опытные данные теплового баланса двигателя являются также ориентировочными и служат для получения общего представления о распределении теплоты в двигателе, что дает возможность установить совершенство его конструкции и оценить его экономичность по сравнению с двигателями других типов. [29]

Относительная доля потерь теплоты с ОГ и в систему охлаждения подсчитывается при снятии теплового баланса двигателя . [30]

Как рассчитывается тепловой баланс ДВС

В теории двигателестроения много внимания уделяется газообмену и распределению тепла в процессе работы ДВС. Немаловажный аспект в понимании работы – тепловой баланс двигателя.

Базовые понятия

Тепловым балансом называют соотношение количества теплоты, выполнившее полезную работу, к теплоте, растраченной впустую. Под напрасной растратой подразумеваются потери теплоты на нагрев элементов окружающей среды. Топливный баланс может быть составлен в процентном соотношении либо в единицах энергии (калориях, джоулях). В зависимости от преследуемых целее, уравнение теплового баланса позволяет подсчитать соотношение общего количества теплоты на 1 час работы, фиксированный цикл, на 1 кг израсходованного вещества либо на единицу получаемой продукции.

В области техники понятие применяется для анализа и изучения различного рода тепловых процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, печах и т.д. Полученные из уравнения данные позволяют рассчитать коэффициент полезного действия как всего агрегата в целом, так и отдельных элементов установки. Иными словами, расчет теплового баланса позволяет нам узнать, насколько эффективно внутри двигателя происходит сгорание топливовоздушной смеси (ТПВС).

Уравнение

Тепловой баланс может быть выражен в форме уравнения, одна часть которого будет показывать приход тепла в систему, а вторая – потери и расход. Для лучшего наглядного представления значения легко трансформируются в диаграммы и таблицы.

Левая часть уравнения теплового баланса (Q) — общее количество теплоты, подведенного в двигатель с горючим, вторая часть показывает распределение теплотворной способности топлива, где

• Q_e –количество полезного тепла. Показывает количество теплоты, израсходовавшейся на преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Это и будет эффективно расходованная энергия.
• Q_охл –тепло, растраченное на обогрев антифриза. В двигателях с воздушным охлаждением этот параметр будет обозначать потери на нагрев воздуха.
• Q_газ–количество теплоты, вышедшее из двигателя вместе с отработавшими газами.
• Q_хим –потери тепла вследствие неполноты сгорания топлива.

• Q_ост –остаточные потери, не учтенные в остальных пунктах.
• Q_м –передавая смазочным материалам теплота.

Если говорить о процентном выражении, то Q – 100% полученного тепла. Процентное соотношение общего количества тепла к каждому виду потерь можно получить по формуле:

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Большая часть теплоты при сгорании топлива уходит на нагрев поршня, стенок цилиндра и ГБЦ, но наибольшие потери происходят при выходе выхлопных газов. Именно поэтому использование выхлопа для раскручивания турбины повышает КПД двигателя внутреннего сгорания. Большая часть полезной работы затрачивается на преодоления трения, сжатия пружин и насосные потери, связанные с перекачиванием технических жидкостей (моторного масла, жидкости ГУР). Под потерями на трение подразумевается не только сопротивление движению поршней, вращению коленчатого и распределительного валов, но и, к примеру, затрачиваемое усилие на вращение шкива генератора.

КПД двигателя рассчитывается как соотношение полезной энергии к общему количеству энергии, высвободившейся в процессе горения ТПВС.

КПД конкретной модели двигателя зависит от многих параметров, но в целом можно сказать, что бензиновые агрегаты имеют эффективность в районе 20-25%, тогда как показатель атмосферных ДВС цикла Дизеля достигает 40%. Установка турбонагнетателя на дизельный двигатель позволяет получить внушительные 50-53% эффективности.

Борьба с потерями

Можно выделить 3 основные способа потери полезной энергии:

• топливная эффективность (порядка 25% всех потерь). Как бы ни старались конструкторы, но сжечь полностью порцию топлива и получить близкую к максимально возможной отдачу на современной стадии двигателестроения невозможно;
• тепловые потери в процентном эквиваленте достигают 35% от общей эффективности;
• механические потери, связанные с трением, насосными потерями (около 20%).

Существует 2 основных способа получения большей отдачи от сгорания ТПВС: увеличить топливную эффективность и уменьшить потери. Чтобы получить большую отдачу от сгорания бензина, ТПВС нужно как можно сильнее сжать. Но в случае с бензиновыми двигателями мы натыкаемся на большую проблему – детонацию. Дизельным моторам детонация не страшна, но увеличение энергии приводит к чрезмерным нагрузкам на коленчатый вал, вкладыши коленвала и т.д. Поддерживать чрезвычайно высокую температуру в камере сгорания двигателя также нет возможности, так как детали ЦПГ, головки блока цилиндров имеют определенный коэффициент расширения. Изготовление деталей из сверхпрочных материалов удорожит себестоимость производства, сделав тем самым изготовление экономически невыгодным. Уменьшение потерь – действенный способ увеличения КПД двигателя. Именно желание уменьшить потери привело современное двигателестроение к облегчению деталей ЦПГ, уменьшению размера поршневых колец, ранней блокировке ГДТ в коробках автомат и тому подобным мерам.

Потери энергии в дизельном двигателе. Тепловой баланс дизельного двигателя

Все потери энергии при работе дизельного двигателя можно разделить на две большие группы: механические потери и тепловые потери.

К механическим потерям в дизельных двигателях относят:

• потери мощности на трение N_TP – составляют большую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах деталей, главными из которых являются поршень с поршневыми кольцами и стенки цилиндра, трение в подшипниках коленчатого вала. К возрастанию механических потерь приводят: увеличение газовых сил с повышением нагрузки; инерционных сил с повышением частоты вращения; ухудшение обработки поверхностей деталей; нарушения в работе систем смазки и охлаждения;
• потери мощности на совершение насосных ходов поршня N _НАС – определяются сопротивлениями впускных и выпускных клапанов. В двухтактных дизелях с щелевой бесклапанной схемой продувки эти потери отсутствуют;
• потери мощности на привод вспомогательных механизмов N _ВМ –обычно включают затраты мощности на привод агрегатов, без которых невозможна нормальная работа двигателя: водяной, масляный, топливный насосы; регулятор частоты вращения; механизм газораспределения и т.д. Эти потери зависят от конструктивного исполнения ВМ, их совершенства, размеров и технического состояния;
• потери мощности на вентиляцию N _ВЕНТ – учитывают затраты на преодоление трения между движущимися деталями (поршнем, шатунами, коленчатым валом) и воздухом;
• потери мощности на механический привод компрессора N _К – присутствуют только в двигателях с подключенными турбокомпрессорами, приводимыми во вращение от коленчатого вала самого дизеля. Эти потери зависят от размеров и типа компрессора.

В общем случае механические потери представляют собой сумму:

К тепловым потерям в дизельных двигателях относят:

• теплоту, отводимую в охлаждающую среду–Q _ОХЛ. Эта потеря состоит из суммы теплоты, отводимой в воду – Q _В, и в смазочное масло–Q _М. Q _В и Q _М зависят, в свою очередь, от разности температур масла и воды на входе – 1 _t в двигатель и на выходе – 2 _t из двигателя, теплоемкости жидкостей (масла – С_М , и воды – С_В ), и расхода охлаждающих сред- G_М и G_В:

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит их теплоты, отданной рабочим телом, и теплоты, эквивалентной работе трения. Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном в охлаждающую жидкость: теплота трения поршня о цилиндр – в охлаждающую воду, а теплота трения подшипников – в смазочное масло. Теплоту трения не включают в тепловой баланс дизеля, кроме доли теплоты трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).

• теплоту с уходящими газами – Q_Г . Эта потеря определяется как разность энтальпий уходящих из двигателя выхлопных газов и поступающего в цилиндр свежего заряда воздуха:

• — G_Г, G_B – часовой расход выхлопных газов и воздуха;
• — C_рГ, С_рВ – изобарная теплоемкость выхлопных газов и воздуха;
• — T_ЗТ – температура газов за турбиной (при турбонаддуве);
• — Т_в – температура воздуха на входе в цилиндр.

• неучтенные потери Q_НП – в эту группу относят следующие виды потерь:

• — Q Л – теплоту лучеиспускания в окружающую среду (потеря теплоты через стенки двигателя);
• — QН. СГ – теплоту, эквивалентную неполному сгоранию топлива (химический недожог топлива);
• — Q УТ – унос топлива в капельно-жидком состоянии с уходящими газами (механический недожог топлива);
• — QК. ЭН – теплоту кинетической энергии выхлопных газов.

Тепловым балансом двигателя называется распределение затраченной теплоты на полезную работу и различного рода потери. В общем виде уравнение теплового баланса дизельного двигателя имеет вид:

Дизели относятся к числу наиболее экономичных двигателей. КПД лучших образцов достигает 50 ÷ 51 %, однако и в дизелях теряется значительное количество тепловой энергии: 30 ÷ 40 % – с выхлопными газами, и 10 ÷ 20 % – с охлаждающими средами (с водой и маслом).

Потоки теплоты в ДЭУ (дизельная энергетическая установка) имеют сложный характер, обусловленный наличием нескольких видов энергии: химической энергии топлива; механической энергии, выработанной двигателем; электрической энергии, полученной во вспомогательных двигателях; тепловой энергии в виде пара, горячей воды, выхлопных газов, нагретого масла; потенциальной энергии сжатого в компрессоре воздуха и т.д.

• Q_T– теплота, эквивалентная химической энергии сгорания топлива;
• Q_i– теплота, эквивалентная индикаторной работе;
• Q_e – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;
• Потери теплоты: Q_ОХЛ – с охлаждающей средой; QГ– с уходящими (выхлопными) газами;
• Q_НП – неучтенные потери; QСТ – в стенки двигателя;
• Q_В.П. – полные потери газа в выпускном патрубке;
• Q_МЕХ – механические потери; Q_ТР – на трение поршня и колец;
• Q_Н.СГ – от неполного сгорания топлива;
• Q_К.ЭН – с кинетической энергией газов;
• Q_Л – с лучеиспусканием;
• Q_КОЛ – в охлаждающую среду из выпускного коллектора.

Графически уравнение теплового баланса и распределение потоков тепла, полученного в двигателе, можно изобразить на диаграмме теплового баланса двигателя. На рис. 26 изображена диаграмма теплового баланса для дизельного двигателя без наддува и утилизации теплоты.

Примерные значения эффективной работы и потерь энергии для различных типов современных дизельных двигателей сведены в таблицу:

Литература

Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]