teplotekhnika (852911), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Цикл Карно, теорема Карно.Обобщенные и эквивалентные циклы КарноСамым наивыгоднейшим теоретическим циклом теплового двигателя,имеющим наибольший термический КПД в заданном температурном интервале, является цикл, предложенный французским ученым Сади Карно. Цикл Карно дол жен в этом случае состоять из равновесных обратимыхпроцессов, поскольку только в этом случае будут отсутствовать потериэнергии, сопутствующие всякому неравновесному процессу. Для получения наибольшего КПД цикла следует выбрать такие равновесные процессы, которые давали бы при расширении рабочего тела наивыгоднейшее преобразование энергии в работу, а при сжатии - наинизшие затраты энергии.
В этом случае особое значение приобретают изотерм ы и адиабаты. Для осуществления обратимого процесса теплообмена достаточно иметь один источник тепла постоянной температуры, обменивающийся с рабочим телом теплотой при бесконечно малой разности температур. Для адиабатных процессов в связи с отсутствием теплообмена понятие о термической обратимости полностью отпадает, а механическаянеобратимость достигается бесконечно медленным протеканием процесса при бесконечно малой разности давлений между рабочим телом иокружающей средой.Кроме того, эти процессы являются самыми выгодными с точки зрения получения работы, так как в изотермическом процессе вся сообщаемая теплота полностью превращается в работу, а в адиабатном процессеработа производится только за счет уменьшения запаса внутреннейэнергии рабочего тела.Таким образом, для осуществления цикла Карно необходимо иметьвсего два источника тепла (теплоотдатчик и теплоприемник), температура которых не изменяется при теплообмене с рабочим телом.Цикл Карно представлен в диаграммах ру и ТЅ на рис.
5.3. По изотерме І-2 подводится теплота а! при температуре ТІ, затем по адиабате 2-3продолжается расширение рабочего тела, при этом температура снижается до Т2.р!Рис. 5.3. Цикл Карнок87Изотермическое сжатие 3-4 сопровождается отводом теплоты 42 притемпературе Т, а затем в результате адиабатного сжатия 4-І рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. Работа в цикле КарноІЦ = (11 |с12 | измеряется площадью 1-2-3-4, ограниченной двумя изотермами и двумя адиабатами.При выводе формулы для термического КПД цикла Карно воспользуемся формулой 11,= І - '42 І/цІ .Находим значения подводимой и отводимой в цикле Карно теплоты:41= Т,АЅ; І42І = Т2АЅ.Тогда КПД цикла КарноПЖ: _ш=|_.7і.ш(5.4)т.Теорема Карно гласит, что термический КПД цикла Карно не зависитот физических свойств рабочего тела, поскольку в (5.4) не входят характеристики, определяющие свойства этого тела.Анализ (5.4) показывает, что 11,К= І при ТІ -› <×› или Т2 = О и 11 ,К= 0 приТІ = Т , что подтверждает формулировки второго начала термодинамики.Цикл Карно на практике неосуществим, так как реальные процессы,протекающие в тепловых двигателях, не являются изотермическими иадиабатными, и выполнить их практически невозможно.
Несмотря наэто, значение цикла Карно очень велико, поскольку его термическийКПД является пределом для данного интервала температур.Чем ближе при одинаковом интервале температур термический КПДрассматриваемого цикла к термическому КПД цикла Карно, тем совершенней двигатель.Если в цикле Карно обратимые адиабатные процессы заменить любыми другими обратимыми эквидистантными (равноотстоящими) кривыми, то получим так называемый обобщенный цикл Карно (рис. 5.4).щ*ТІТТ2Рис. 5.4. Обобщенный цикл Карно/9, 2\__!Ч4%/3 / эёбеїї:Ё а ЁЁЁ\\=ъЖЁЁкС8816234з,3352Ѕ'Рис.
5.5. Средняя термодинамическая температураТ1ЅІЧ1-232 ЅТермический КПД такого цикла равен термическому КПД цикла Карно. Достигается это в том случае, если отведенное от рабочего тела в процессе расширения 2-3 количество теплоты бОподводится к рабочему телув процессе сжатия 4-1 («возврашается›› в цикл). «Возврат» теплоты осушествляется при помощи точечных источников теплоты (Чрег), называемыхрегенераторами, а процесс возврата теплоты в цикл - регенерациеи.Для сравнения степени термодинамического совершенства цикловразличных тепловых двигателей используют понятие об эквивалентномцикле Карно. При этом выражают количество подведенной и отведеннойтеплоты через их средние термодинамические температуры.Средней термодинамической температурой Тназывают условную постоянную температуру, при которой в одинаковом интервале энтропий участвует такое же количество теплоты, что и при переменной температуре (рис.
5.5):2ї: Ч1-2 = 182 -ЅІсС1Т82 -ЅІ=Т2-7ї_(5'5)ІпЬ71Подсчитывая для произвольного цикла а- 1-6-2 средние термодинамические температуры подвода и отвода теплоты (рис. 5.6) какі=±ИТ2=Ѕб-Ѕа'(І2ІЅб-ЅаэРис. 5.6. Эквивалентный циклКарно,гыопределим термический КПД этого цикла:ІЧ2Ійод - заЁ=І--=1--_-_-_- или т] г =І--_-.Ч]7КЅб _Ѕа)Т](5.6)Эквивалентный цикл Карно, эквивалентный данному циклу по величине работы и эффективности превращения теплоты в работу, изобра-зится в виде прямоугольника с изотермами 7_`І и 7_`2 и адиабатамиза = сопЅІ и 56 = сопЅІ.Из рис.5.6 видно, что термический КПД цикла Карно больше КПДлюбого иного цикла, осуществляемого в тех же пределах температур.Действительно, поскольку ТІ > 7-"1, а Т2 < Т , то пт > 11,.5.3.
Циклы поршневых двигателей внугреннего сгоранияРеальные ДВС, их индикаторные диаграммы и идеальные циклы - оценкаих коэффициентами полезного действия. Двигателями внутреннего сгорания называют тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, при этом сгорание осуществляется непосредственно внутри двигателя. ДВС имеют поршневую или роторную конструкцию.Запись реального процесса, протекающего внутри цилиндра ДВС,называют его индикаторной диаграммой. Рассмотрим кратко индикаторную диаграмму четырехтактного ДВС с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (дизель) (рис.
5.7).Рис. 5.7. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля:ро - атмосферное давление; Ус объем камеры сгорания; У,І - объем, соответствующий ходу поршня90р°уСПри движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней(НМТ) через открытый впускной клапан в цилиндр поступает воздуХ(такт всасывания, впуска) в процессе г-а. Второй такт сжатия а-с происходит при ходе поршня от Н МТ до ВМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах. На подходе поршня к ВМТ в сжатый воздух подаетсячерез специальную форсунку топливо, которое после распыливания самовоспламеняется. При этом выделяется большое количество теплоты,вследствие чего значительно возрастают давление (точка 2) и температура (точка 2') продуктов сгорания.
Одновременно начинается третий такт рабочий ход (процесс с-І-І-Ь). Четвертый такт - выпуск (процесс Ь-г)происходит при ходе поршня от НМТ до ВМТ при открытом выпускномклапане. Затем процессы повторяются.Реальные процессы не совпадают с тактами. Так выпуск газов и наполнение цилиндров воздухом начинаются раньше и заканчиваютсяпозже соответствующих тактов, в зависимости от времени открытия соответствующих клапанов.
Топливо также подается с «опережением», аего подача заканчивается уже на такте расширения.Площадь индикаторной диаграммы в координатах ру характеризует работу, которая подразделяется на две части. Отрицательную работу (знак минус на диаграмме) называют работой насосных потерь Ьнсп, а положительную (знак плюс на диаграмме) - индикаторной работой цикла Ьі.Отношение индикаторной работы к теплоте, вносимой в цилиндр зацикл, называют внутренним или индикаторным КПД:11,: ИО..(5.7)Двухтактные ДВС отличаются от четырехтактных тем, что в них процессы наполнения и выпуска совмещены по времени.
Так, на рис. 5.8представлена индикаторная диаграмма двухтактного дизеля с двумя типами окон - продувочными и выпускными, открываемыми и закрываемыми телом поршня.Рис. 5.8. Индикаторная диаграммадвухтактного дизеля91Процесс сжатия начинается при ходе к ВМТ после закрытия теломпоршня всех окон в точке а. В районе ВМТ подается топливо, распыливается и самовоспламеняется. Рабочий ход заканчивается в точке Ь в момент открытия выпускных окон.
В точке е открываются продувочные окна, через которые подается специально подготовленный воздух. Процесспродувки заканчивается в точке Іс, в которую переходит поршень послеНМТ. Процесс выпуска отработавшей газовой смеси, происходивший иво время наполнения свежим зарядом воздуха, заканчивается в точке а,после чего цикл повторяется.Принципиальные отличия протекания процессов в карбюраторныхдвигателях от дизелей заключаются лишь в том, что в таких ДВС впуск исжатие подготовленной вне цилиндра смеси топлива с воздухом производятся до состояния, не допускаюшего самовоспламенение и обеспечивающего принудительное воспламенение в нужный момент от специальной системы зажигания.
Характер используемого топлива способствуеттакой специфике процесса повышения давления, когда сгорание топлива происходит практически при постоянном объеме.Процессы, протекающие в действительных ДВС, в совокупности необразуют термодинамически замкнутого цикла. Поэтому при исследовании ДВС методами термодинамики приходится вводить ряд допущений,которые позволят перейти от индикаторных диаграмм к идеальным циклам ДВС.І.
Реальные процессы сжатия и расширения заменяют равновесными(обратными) адиабатами.2. Процессы горения топлива заменяют равновесными процессамиподвода теплоты в изохорном и(или) изобарном процессах, а процессынаполнения и выпуска заменяют равновесным изохорным процессомотвода теплоты.3. Меняюшие свои свойства воздух, смесь его с топливом и продуктыих сгорания заменяют рабочим телом с неизменными свойствами, к которому подводится и от которого отводится теплота.4. Отрицательную по величине работу насосных потерь учитывают вмеханических потерях ДВС.Подобные допущения позволяют заменить индикаторные диаграммыидеальными циклами, не взирая на тактность ДВС, а по соотношенияммежду параметрами в равновесных процессах, сложенных в идеальныециклы, вычислить термические КПД ДВС.Реальные процессы, совершаюшиеся в ДВС, являются неравновесными, а следовательно, и необратимыми.
Их протекание сопровождается диссипацией и деградацией энергии, т.е. потерей работы. Степеньприближения реальных процессов к идеальным оценивается внутренним относительным КПД пт., а экономическое совершенство реальногоцикла - внутренним абсолютным (индикаторным) КПД 11,.. Связь этих92КПД с термическим 11, находят из соотношений:Ь!_ЬЦ_ ЬіПі=ЕЗП1-ї|›поі-Д- ть»(5.8)где Ь, и Ь - соответственно действительная (индикаторная) работа и работа идеального Цикла;ОІ - количество подведенной за цикл теплоты.В итоге получаем соотношение11.- = что;-(59)Отдаваемая на потребителя работа (мощность) называется эффективной Не. Она отличается от индикаторной (М.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
