Материал: Техническая термодинамика и тепломассообмен

Тепловой двигатель – устройство непрерывного действия, получающее энергию в форме теплоты, которая затем передается окружению в форме работы и, в обязательном порядке, в форме теплоты. Тепловой двигатель содержит три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Необратимый цикл – цикл, в котором хотя бы одна из его частей необратима. Эффективность необратимого цикла оценивается абсолютным внутренним коэффициентом полезного действия (_i), под которым понимается отношение работы, совершенной в прямом необратимом термодинамическом цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один цикл, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

Термическим КПД цикла называют отношение работы цикла к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле. Обозначая термический КПД цикла ηт, получаем в соответствии с этим определением:

Термический КПД цикла характеризует степень совершенства того или иного цикла: чем больше ηт, тем совершеннее цикл; при подводе к рабочему телу одного и того же количества теплоты Q1 в цикле, у которого ηт больше, производится большая работа Lц.

Источник теплоты – ТС, способная отдавать или воспринимать теплоту и характеризующаяся определенной неизменной температурой.

Холодильная машина – устройство непрерывного действия, получающее энергию в форме теплоты и в форме работы, которая затем передается окружению в форме теплоты, при этом температура теплоотдатчика ниже температуры теплоприемника.

Термодинамический цикл, в котором к рабочему телу подводится меньшее количество теплоты и при меньшей температуре, а отводится большее количество теплоты и при более высокой температуре, разность же этих теплот равна затраченной работе.

Холодильный коэффициент (), под которым понимается отношение теплоты, отведенной в обратном термодинамическом цикле от охлаждаемой системы, к работе, затраченной в этом цикле:

12. Цикл Саади Карно. Термический кпд цикла Карно.

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Термическим КПД цикла называют отношение работы цикла к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле. Обозначая термический КПД цикла ηт, получаем в соответствии с этим определением:

Термический КПД цикла характеризует степень совершенства того или иного цикла: чем больше ηт, тем совершеннее цикл; при подводе к рабочему телу одного и того же количества теплоты Q1 в цикле, у которого ηт больше, производится большая работа Lц.

Отношение работы A к количеству теплоты Q₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины ниже:

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q₁ > 0, A > 0, Q₂ < 0; T₁ > T₂

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T₁ и холодильника T₂:

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена ниже:

Энергетическая схема холодильной машины. Q₁ < 0, A < 0, Q₂ > 0, T₁ > T₂

Для обращенного цикла Карно

13. Энтропия, как функция состояния. Изменение энтропии в необратимых процессах

Энтропия – функция состояния термодинамической системы, определяемая тем, что ее дифференциал (dS) при элементарном равновесном (обратимом) процессе, происходящем в этой системе, равен отношению бесконечно малого количества теплоты (dQ), сообщенной системе, к термодинамической температуре (Т) системы

dS = dQ/T.

Энтропия является экстенсивным термодинамическим параметром. Энтропия ТС выражается в Дж/К, а удельная энтропия s однородной системы – Дж/(кгК).

Для обратимых процессов:

Это выражение справедливо для любого рабочего тела.

 ; 

Эта формула позволяет вычислить изменения энтропии в обратимых процессах.

Для необратимых процессов:

Формула справедлива для необратимых процессов.

Если их объединить:

Отсюда:

Последняя формула - математическое выражение второго закона термодинамики. В этом выражении знак равенства справедлив для обратимых процессов, а знак неравенства - для необратимых.

14. Цикл Отто.

Цикл Отто — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии, цикл бензинового двигателя. Назван в честь немецкого инженера Николауса Отто.

Идеальный цикл Отто состоит из четырёх процессов:

pV- диаграмма цикла Отто

· 1—2 адиабатное сжатие рабочего тела;

· 2—3 изохорный подвод теплоты к рабочему телу;

· 3—4 адиабатное расширение рабочего тела;

· 4—1 изохорное охлаждение рабочего тела.

КПД цикла Отто

где — степень сжатия,

— показатель адиабаты.

Идеальный цикл лишь приблизительно описывает процессы, происходящие в реальном двигателе, но для технических расчётов в большинстве случаев точность такого приближения удовлетворительна.

15. Цикл Дизеля.

Цикл Дизеля — это теоретический цикл двигателей с пневматической подачей топлива в сжатый воздух над поршнем и его самовоспламенением от высокой температуры сжатого воздуха (компрессорных дизелей). Схема двигателя мало отличается от схемы двигателя Отто, только вместо электрозапального устройства устанавливается форсунка для подачи топлива. Линия 0—1 соответствует такту всасывания воздуха, линия 1—2 — такту сжатия, линия 2—3 — сгоранию поданного в конце процесса сжатия топлива.

В случае образования горючей смеси внутри цилиндра требуется больше времени для сгорания топлива, поскольку оно включает в себя время впрыска и время испарения топлива, образования смеси

Индикаторная диаграмма ДВС с пневматической подачей топлива

В отличие от двигателя Отто это время соизмеримо с временем перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней, поэтому сгорание топлива идет при совершении поршнем рабочего хода. Давление в процессе горения меняется мало. После сгорания топлива происходит расширение продуктов сгорания — линия 3—4, выхлоп — 4—5 и выталкивание отработанных газов — 5—1. Разграничивающие процессы точки на диаграмме условны, поскольку между процессами нет четкой границы.

Процесс сгорания топлива представляем изобарным процессом с подводом теплоты 2—3; процессы выхлопа и выталкивания отработанных газов и всасывания воздуха представляем изохорным процессом с отводом теплоты 4—1. Процессы сжатия воздуха и расширения продуктов сгорания считаем адиабатными. Рабочее тело — идеальный газ с постоянными свойствами. Все процессы обратимые.

Термический КПД цикла Дизеля:

Из полученного выражения следует, что термический КПД цикла возрастает с увеличением степени сжатия 8 и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения р.

16. Цикл Тринклера

Цикл Тринклера (или цикл Сабатэ) является гибридом циклов Отто и Дизеля. В нём осуществляется смешанное сгорание (смешанный подвод теплоты). У двигателей работающих по этому циклу имеется форкамера, соединённая с рабочим цилиндром.

Воздух адиабатно сжимаемый в рабочем цилиндре (процесс 1-2), сжимается в форкамере, в которую подаётся топливо. Топливо смешивается со сжатым воздухом, воспламеняется, и часть его быстро сгорает в небольшом объёме форкамеры (процесс 2-3). Сгорание части топлива приводит к повышению давления, и поэтому смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкивается в рабочий цилиндр. Здесь происходит догорание остатков топлива при приблизительно постоянном давлении, так как этот процесс приводит к перемещению поршня (процесс 3-4).

Цикл Тринклера: а) в рабочей диаграмме; б) в тепловой

После окончания сгорания топлива происходит рабочий ход поршня – адиабатное расширение (процесс 4-5) продуктов сгорания. Затем в процессе 5-1 выполняется выталкивание продуктов сгорания - изохорный процесс отвода тепла q₂. Цикл со смешанным подводом теплоты имеет две части процесса сгорания: сначала теплота подводится в результате быстрого изохорного сгорания части топлива в форкамере, затем осуществляется изобарный процесс медленного догорания остатков топлива в рабочем цилиндре.

В отличие от двигателя Дизеля двигатель Тринклера не нуждается в компрессоре высокого давления для распыла жидкого топлива, которое распыляется струёй сжатого воздуха. И при этом в этом цикле сохраняется преимущество цикла Дизеля, так как часть процесса сгорания – изобарный процесс.

Термический КПД цикла Тринклера:

Это выражение при отсутствии изобарного процесса (r = 1) превращается в уравнение термического кпд цикла Отто, а при отсутствии изохорного процесса (l = 1) превращается в уравнение термического кпд цикла Дизеля.

17. Цикл ГТУ с подводом теплоты при P = const.

Газотурбинные установки относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется на турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

К числе возможных идеальных циклов ГТУ относят:

а) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (р = const) - цикл Брайтона;

б) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = const);

в) цикл с регенерацией теплоты.

Во всех циклах ГТУ отвод теплоты при наличии полного расширения в турбине происходит при постоянном давлении.

Обратимый цикл ГТУ при p=const называется циклом Брайтона. Схема ГТУ представлена нижу. Компрессор (ВК), приводимый в движение газовой турбиной (ГТ), подает сжатый воздух в камеру сгорания (КС), в которую впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом (ТН), находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

Схема ГТУ (ВК – воздушный компрессор, ТН – топливный насос, КС – камера сгорания, ГТ – газовая турбина, ЭГ – электрогенератор)

Цикл Брайтона. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.

1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре,

2-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания,

3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой турбины,

4-1 – изобарный отвод теплоты от продуктов сгорания в атмосферу.