Gazowe objętościowe maszyny energetyczne. Podstawy
Zbigniew Gnutek
rok wydania: 2004
stron: 256
oprawa: miękka
format: B5
wydawnictwo: Politechnika Wrocławska
W książce przedstawiono podstawowe pojęcia i określenia opisujące geometrię gazowych objętościowych maszyn energetycznych i ich mechanikę, a także procesy przepływu gazu i przekazywania ciepła. Omówiono też elementarne przemiany termodynamiczne, które zachodzą w silnikach oraz w gazowych wyporowych maszynach roboczych (tj. sprężarkach, rozprężarkach, pompach próżniowych, siłownikach, amortyzatorach, chłodziarkach i in.).
Wyboru przemian dokonano, kierując się chęcią zwrócenia uwagi na procesy występujące najczęściej we wszystkich gazowych maszynach objętościowych. Szczególnie dużo miejsca poświęcono zmiennej ilości gazu w komorze roboczej.
Choć książka ma charakter podręcznika, znaczny w niej udział zagadnień opracowanych przez autora i nigdzie dotychczas nie publikowanych sprawia, że można ją uznać za opracowanie monograficzne podstaw teorii gazowych objętościowych maszyn energetycznych.
Adresatami książki są studenci mechaniki i budowy maszyn oraz energetyki, a także doktoranci. Może ona również zainteresować pracowników naukowych i konstruktorów projektujących zarówno maszyny energetyczne małej i średniej mocy, jak i systemy cieplne, zwłaszcza urządzenia chłodnicze i klimatyzacyjne, układy automatyki, silniki cieplne i in.
SPIS TREŚCI:
Przedmowa 11
Wykaz ważniejszych oznaczeń 13
Wykaz ważniejszych indeksów dolnych 15
1. Wiadomości wstępne o gazowych objętościowych maszynach energetycznych 17
1.1. Podział i przeznaczenie gazowych objętościowych maszyn energetycznych 17
1.2. Maszyny objętościowe w grupie maszyn i urządzeń energetycznych 23
2. Podstawowe określenia i definicje w teorii gazowych objętościowych maszyn energetycznych 27
2.1. Procesy przepływu czynnika i konwersji energii w maszynach objętościowych 27
2.2. Podstawowe sposoby organizacji procesów obróbki energetycznej czynnika w maszynach objętościowych 28
2.3. Częstotliwość pracy maszyny objętościowej 32
2.4. Elementarna gazowa maszyna energetyczna 34
3. Komora robocza maszyny objętościowej i jej charakterystyka 39
3.1. Sposoby tworzenia komór roboczych i zmiana ich objętości 39
3.1.1. Komory robocze ze ściankami sztywnymi 39
3.1.2. Komory robocze z ciekłymi ściankami 41
3.1.3. Komory robocze ze ścianami elastycznymi 42
3.2. Opis komory roboczej 43
3.2.1. Objętość komory i jej zmiana w czasie 43
3.2.2. Pole powierzchni ścian komory roboczej 45
3.2.3. Kulistość komory roboczej 46
3.3. Gazodynamiczna charakterystyka komory roboczej 46
3.3.1. Stopień geometrycznego otwarcia komory 47
3.3.2. Miara hydraulicznego otwarcia komory 49
3.3.3. Kryterium dostępności komory roboczej podczas napełniania i otwarcia wypływu 50
3.3.4. Stabilność masy gazu w komorze roboczej 51
4. Podstawy analizy mechanicznej maszyn objętościowych 53
4.1. Podstawowe pojęcia teorii mechanizmów 53
4.2. Maszyny objętościowe jako zbiory mechanizmów 55
4.2.1. Ogniwa mechanizmów występujących w gazowych objętościowych maszynach energetycznych 55
4.2.2. Niektóre mechanizmy gazowych objętościowych maszyn energetycznych 55
4.3. Kinematyka mechanizmów gazowych objętościowych maszyn energetycznych 57
4.3.1. Układy odniesienia 57
4.3.2. Sposoby wyznaczania prędkości i przyspieszeń w mechanizmach maszyn energetycznych 59
4.4. Dynamika mechanizmów gazowych objętościowych maszyn energetycznych 64
4.4.1. Siły w mechanizmach maszyn objętościowych 64
4.4.2. Zasady kinetostatyki 65
4.4.3. Równowaga członu napędzającego mechanizm 65
4.5. Mechanika ruchu maszyn objętościowych 66
4.5.1. Redukcja sił i mas w maszynie 66
4.5.2. Równania ruchu maszyn i ich charakterystyki mechaniczne 67
4.5.3. Całkowanie równań ruchu 69
5. Wybrane zagadnienia przepływu gazu w objętościowych maszynach energetycznych 71
5.1. Procesy przepływowe występujące w gazowych objętościowych maszynach energetycznych 71
5.2. Przepływy przez przewody 71
5.2.1. Opory przepływu przez przewody 73
5.2.2. Przepływ przez rozgałęzienia 74
5.3. Przepływ przez otwory o zmiennym przekroju 75
5.4. Napełnianie i opróżnianie komór roboczych 76
5.4.1. Napełnianie komory roboczej 77
5.4.2. Wypływ gazu z komory roboczej 79
5.4.3. Usuwanie czynnika z komory roboczej przez "tłok gazowy" lub "wypłukanie" 81
5.5. Przepływ gazu przez szczeliny 83
5.5.1. Kształty szczelin i ich charakterystyka 83
5.5.2. Strumień gazu przepływającego przez nieruchomą szczelinę 85
5.5.3. Ruch gazu w szczelinie z ruchomą ścianą 89
6. Niektóre problemy wymiany ciepła w maszynach objętościowych 91
6.1. Strumienie ciepła występujące w gazowych objętościowych maszynach energetycznych 91
6.2. Ciepło przejmowane z powierzchni maszyny do otoczenia 92
6.3. Ciepło wymieniane z gazem przez ściankę 93
6.4. Dostarczanie energii czynnikowi w komorze roboczej przez spalanie paliwa 94
6.5. Strumienie ciepła tarcia i temperatura trących się elementów 95
6.6. Ciepło wymieniane między czynnikiem roboczym a ściankami komory 100
6.6.1. Wymiana ciepła w komorze spalania silnika tłokowego 101
6.6.2. Wymiana ciepła w komorach roboczych sprężarek tłokowych 105
6.6.3. Wymiana ciepła w komorach roboczych maszyn rotacyjnych 107
6.7. Ciepło wymieniane w regeneratorach 109
7. Wybrane sposoby analizy procesów termodynamicznych w komorach roboczych ze zmienną ilością czynnika 111
7.1. Uwagi wstępne 111
7.2. Podstawy termodynamiki układów o zmiennej ilości substancji 112
7.2.1. Komora robocza jako układ otwarty na współdziałanie substancjalne 112
7.2.2. Bilans energetyczny układu otwartego 112
7.2.3. Model Mamontowa układu termodynamicznego o zmiennej masie 116
7.2.4. Potencjał chemiczny w termodynamicznym opisie układów ze zmienną masą 120
7.2.5. Określenie ciśnienia i temperatury gazu w zamkniętej komorze roboczej podczas realizacji przemian ze zmienną ilością czynnika 123
8. Procesy termodynamiczne związane z napełnianiem komór roboczych 125
8.1. Niektóre problemy napełniania komór roboczych 125
8.2. Napełnianie komory o stałej objętości 129
8.3. Parametry czynnika w komorze roboczej o zmiennej objętości podczas napełniania jej przez okno wlotowe o dużym przekroju 132
8.4. Parametry gazu w komorze roboczej przy napełnianiu jej przez otwór o małym przekroju 134
9. Modelowanie procesu rozprężania w maszynach objętościowych 137
9.1. Procesy rozprężania par, spalin i innych gazów 137
9.2. Równowagowe i odwracalne rozprężanie gazów w szczelnych maszynach wyporowych 138
9.2.1. Zależności charakteryzujące proces rozprężania w idealnych maszynach wyporowych 138
9.2.2. Proces rozprężania w idealnych maszynach wyporowych 140
9.3. Rzeczywisty proces rozprężania czynnika w komorze roboczej 143
9.3.1. Bilans energetyczny komory roboczej będącej w fazie rozprężania 143
9.3.2. Rozprężanie gazu w maszynie tłokowej 144
9.3.3. Rozprężanie gazu w maszynie wielołopatkowej 148
9.3.4. Numeryczne i laboratoryjne badanie procesu rozprężania w układach ze zmienną masą 153
9.4. Nieodwracalne rozprężanie gazu podczas wypływu ze zbiornika o stałej objętości 160
9.5. Wielostopniowe rozprężanie gazu 163
9.5.1. Przyczyny stosowania rozprężania wielostopniowego 163
9.5.2. Rozprężanie wielostopniowe 164
9.5.3. Optymalny stopień rozprężania w jednym stopniu maszyny z izobarycznym przegrzewem 165
9.5.4. Optymalny stopień ekspansji w jednym stopniu maszyny z izochorycznym przegrzewem 167
10. Modelowanie procesu sprężania w maszynach objętościowych 171
10.1. Procesy sprężania gazów i par 171
10.2. Równowagowe odwracalne sprężanie gazów w doskonałych szczelnych maszynach wyporowych 172
10.2.1. Schemat konstrukcyjny i wielkości opisujące idealne maszyny wyporowe 172
10.2.2. Charakterystyka typowych procesów sprężania 173
10.2.3. Sprężarki o stałym przyroście ciśnienia 174
10.2.4. Sprężarki o stałym stopniu kompresji 175
10.2.5. Sprężanie czynnika w pompach próżniowych 177
10.3. Rzeczywisty proces sprężania czynnika w komorze roboczej 180
10.3.1. Bilans energetyczny komory roboczej w fazie sprężania 180
10.3.2. Sprężanie gazu w maszynie tłokowej 181
10.3.3. Przykład sprężania w dwułopatkowej pompie próżniowej z przedmuchem 184
10.3.4. Badania numeryczne i eksperymentalne ciśnienia i temperatury w komorze roboczej maszyny tłokowej podczas sprężania w niej powietrza 192
10.3.5. Zewnętrzny i wewnętrzny stopień sprężania 192
10.4. Sprężanie czynnika przez zwiększenie jego ilości w danej objętości 197
10.4.1. Mieszanie gazu zawartego w zbiorniku o stałej objętości z gazem wtłoczonym do tego zbiornika 197
10.4.2. Sprężanie czynnika przez cykliczne doładowywanie substancji do zbiornika o stałej objętości 198
10.5. Sprężanie wielostopniowe 202
10.5.1. Przyczyny stosowania sprężania wielostopniowego 202
10.5.2. Sposoby sprężania wielostopniowego 203
10.5.3. Dobór ciśnienia pośredniego podczas sprężania wielostopniowego 205
11. Opróżnianie komór roboczych 207
11.1. Uwagi ogólne 207
11.2. Parametry gazu w komorze roboczej podczas jej opróżniania przez otwór o dużym przekroju 208
11.3. Usuwanie czynnika z komory roboczej wielołopatkowej maszyny ekspansyjnej 209
12. Procesy termodynamiczne podczas dyssypacji i akumulowania energii w gazie 215
12.1. Przykłady akumulowania i rozpraszania energii w ośrodku gazowym 215
12.2. Procesy termodynamiczne zachodzące w amortyzatorze gazowym 218
12.3. Procesy termodynamiczne zachodzące w sprężynach gazowych 222
12.3.1. Amortyzatory z elastycznymi ścianami 222
12.3.2. Bilans energetyczny sprężyny pneumatycznej 223
12.3.3. Zależności energetyczne dla odkształcanych powierzchni elastycznych 225
12.3.4. Energia rozpraszana w sprężynie pneumatycznej 228
12.4. Procesy termodynamiczne zachodzące w akumulatorach gazowych 229
12.4.1. Akumulatory gazu 229
12.4.2. Akumulatory gazowe 230
13. Czynniki robocze i substancje obrabiane energetycznie w maszynach objętościowych 241
13.1. Różnorodność czynników 241
13.2. Określanie właściwości termodynamicznych czynników roboczych 242
13.3. Układ przygotowania i dostarczania czynnika do komory roboczej 243
13.3.1. Oczyszczanie gazu z ciał stałych i kropel cieczy 243
13.3.2. Selektywne usuwanie niektórych składników gazowych 244
13.3.3. Tworzenie mieszanin i aerozoli 247
Literatura 249
Skorowidz 251
