Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера – характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива.

Особенности: механическое распыление горючего (с помощью плунжерного насоса), внутреннее смесеобразование, самовоспламенение от сжатого до высокой температуры воздуха.

Это теоретический цикл всех современных транспортных и стационарных дизелей.

Изобразим цикл на рабочей и тепловой диаграмме (рис.3).

 

Рис.3. Цикл Тринклера. Рабочая (p - v) и тепловая (T - s) диаграммы.

 

Рассмотрим термодинамические процессы цикла:

1-2 – адиабатное сжатие,

2-3 – изохорный подвод теплоты,

3-4 – изобарный подвод теплоты,

4-5 – адиабатное расширение,

5-1 – изохорный отвод теплоты.

Процессы преобразования. Влажный, сухой насыщеный пар Перегрев пара. Процессы парообразования в p-v and s-t координатах.

Образование пара из воды может происходить в результате двух процессов: испарения и кипения.

Парообразование при испарении происходит с поверхности раздела жидкой и газообразной фаз (со свободной поверхности воды) при любой температуре воды. Часть молекул, обладающих достаточной кинетической энергией, покидает поверхность воды. На преодоление сил притяжения затрачивается работа за счет энергии теплового движения молекул. При этом, если к жидкости не подводится теплота, то температура ее понижается, так как в жидкости остается все меньше молекул, имеющих большой запас кинетической энергии. Когда энергия улетающих молекул уравновесится теплотой, поступающей из окружающей среды, процесс понижения температуры воды прекратится. Если сосуд открыт, пар распространяется в окружающую среду, и испарение будет продолжаться до испарения всей жидкости. В закрытом сосуде наступит динамической равновесие, и количество частиц покидающих жидкость сравнится с количеством частиц, возвращающихся в жидкость за это же время.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Если к жидкости подводить теплоту, оставляя давление постоянным, то скорость движения молекул будет возрастать и интенсивность парообразования будет увеличиваться при возрастании температуры. Когда температура жидкости достигнет значения температуры насыщения при данном давлении, жидкость начнет кипеть. Кипение – это процесс интенсивного образования пузырьков пара на теплообменной поверхности в жидкости имеющей температуру насыщения. Внешним проявлением кипения является образование большого числа пузырьков на теплообменной поверхности, их отрыв от поверхности и всплытие их, интенсивно перемешивающее толщу воды. Поверхности пузырьков служат границами раздела фаз. Если увеличить подвод теплоты к кипящей жидкости, то парообразование будет протекать интенсивней. Однако температура воды и пара остается постоянной до тех пор, пока последняя капля жидкости не выкипит. Пар, не содержащий в своем составе частиц воды, но имеющий температуру и давление насыщения, называют сухим насыщенным паром.

Рисунок 1 - Фазовая диаграмма для водяного пара в T, s координатах

 

Область I – газообразное состояние (перегретый пар, обладающий свойствами реального газа);

Область II – равновесное состояние воды и насыщенного водяного пара (двухфазное состояние). Область II также называют областью парообразования;

Область III – жидкое состояние (вода). Область III ограничена изотермой ЕК;

Область IV – равновесное состояние твердой и жидкой фаз;

Область V – твердое состояние;

 

Области III, II и I разделены пограничными линиями AK (левая линия) и KD (правая линия). Общая точка K для пограничных линий AK и KD обладает особыми свойствами и называется критической точкой. Эта точка имеет параметры p_кр, v_кр и Т_кр, при которых кипящая вода переходит в перегретый пар, минуя двухфазную область. Следовательно, вода не может существовать при температурах выше Т_кр.

 

Критическая точка К имеет параметры (для воды):

p_кр = 22,136 МПа; v_кр = 0,00326 м3/кг; t_кр = 374,15 °С.

 

Значения p, t, v и s для обеих пограничных линий приводятся в специальных таблицах термодинамических свойств водяного пара.

Рис. 9.2 Процесс превращения жидкости в перегретый пар в pv-диаграмме

На диаграмме p–v (рис. 9.2) состояние воды в начале процесса отображено точкой a. Подвод теплоты к воде в этом состоянии приведет к росту температуры воды, из-за чего увеличится объем воды (рис. 9.1 б). Процесс изобарного нагрева окончится в точке b, (рис. 9.2) когда температура жидкости достигнет значения температуры насыщения при данном давлении. Но так как подвод теплоты продолжается, жидкость начинает кипеть, возникает процесс парообразования, объем парожидкостной смеси увеличивается за счет объема, образовавшегося пара (рис. 9.1 в). Объем пара увеличивается, объем жидкости уменьшается. При этом температура жидкости и температура пара остается неизменной и равной температуре насыщения. Процесс кипения не только изобарный, но и изотермический – отрезок b-c на рис. 9.2. Момент, когда выкипела последняя капля жидкости, степень сухости пара , в цилиндре находится сухой насыщенный пар с температурой насыщения, показан на рис. 9.1 г. Дальнейший подвод тепла при отсутствии воды приводит к росту температуры пара – пар становится перегретым – процесс c-d на рис. 9.2.

На диаграмме 9.2 кривая FbK, называемая левой пограничной кривой, определяет состояние жидкости, температура которой доведена до температуры насыщения (температуры кипения). На этой кривой пара еще нет и степень сухости его . Правая пограничная кривая KcL соответствует состоянию сухого насыщенного пара, на этой кривой нет жидкости, а степень сухости пара x = 1.

Пространство между левой и правой пограничными кривыми – это область парожидкостной смеси, она называется областью влажного насыщенного пара (ВНП).

Область диаграмм левей левой пограничной кривой – это область переохлажденной жидкости, температура которой ниже температуры насыщения. Область правее правой пограничной кривой принадлежит перегретому пару, температура которого выше температуры насыщения. Чем выше температура перегретого пара, тем больше он приближается к идеальному газу.

В области ВНП изобары и изотермы являются горизонтальными прямыми линиями. Диаграммы p–v, T–s, h–s, дают возможность с достаточной степенью точности определить параметры пара, энтальпию, разность энтальпий, наглядно изображать адиабатный процесс, имеющий большое значение при изучении работы двигателей и решать многие другие практические задачи.

Пограничная кривая жидкости (левая) и пограничная кривая пара (правая) смыкаются в точке K. Точка K – критическая точка, в которой фазовый переход происходит без изменения удельного объема и других физических свойств.