Мифы и реальности современной теории ДВС. Опубликовано в Вестнике Дагестанского научного центра Российской Академии наук 28 за 2007г
 Скачать 1.4 Mb.
|
|
Отвод теплоты. Интересная особенность толкования теорией ДВС разомкнутых теоретических циклов касается вопроса о том, что: «Цикл протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела (газа), в результате чего исключаются из рассмотрения как потери рабочего тела вследствие утечек его через неплотности, так и потери энергии, возникающие при поступлении свежего заряда в двигатель и удалении из него выпускных газов. При этом процесс удаления выпускных газов заменяется фиктивным процессом отвода теплоты от рабочего тела холодному источнику». (Д.Н.Вырубов. стр. 7). Вот классическое определение теоретического цикла с подводом теплоты по V=const: теоретический цикл теплового двигателя с подводом теплоты по изохоре и отводом теплоты по изохоре и с адиабатными процессами сжатия и расширения. Указанное положение теории ДВС является принципиально ошибочным, ибо удаление выпускных газов никакого отношения к процессу отвода теплоты от рабочего тела холодному источнику не имеет. Это подтверждается следующим: 1. Согласно второму закону термодинамики холодному источнику отводится теплота, которая используется термодинамической системой как «плата» или «компенсация» (И.П. Базаров, стр. 48) за преобразование теплоты в работу. Т.е., отводимая холодному источнику теплота Q2, для превращения ее в работу в данной системе принципиально не может быть использована. В то же время, в ДВС энергия удаляемых газов может быть использована для получения работы. Это делается путем продолжения расширения в газовой турбине, или лопаточной части комбинированного двигателя. Это означает, что, по меньшей мере, часть энергии, заключенная в удаляемых выпускных газах, не является термодинамической теплотой компенсирующей работу цикла. 2. Чем большее количество работы совершается за цикл, тем большее количество теплоты расходуется на компенсацию. Если в ДВС удаляемые выпускные газы содержат в себе теплоту, отводимую холодному источнику, то по мере увеличения количества работы совершаемой циклом, количество отводимой теплоты должно увеличиваться, а не уменьшаться. Количество выполняемой циклом работы может быть увеличено за счет увеличения степени сжатия. Но при увеличении степени сжатия температура удаляемых выпускных газов уменьшается, а не растет. Так, в бензиновом ДВС (Та=3500К, k=1,35) со степенью сжатия ε.=5, температура Т2 завершения процесса расширения составила бы Тb=17690К (во всех расчетах данные о количестве располагаемой теплоты Qт, температуре ∆Т, температуры начала сжатия Та автор берет из расчетов И.М. Ленина на стр. 16-17 т.1). В аналогичном двигателе со степенью сжатия ε.=50 температура Тb завершения процесса расширения при тех же значениях Та и k составит Тb=9860К. Из этого следует, что при увеличении количества работы совершаемой системой, количество теплоты компенсации уменьшается, а не растет. 3. В гипотетическом ДВС, работающем по циклу Карно, процесс отвода теплоты Q2 холодному источнику начинается и завершается при температуре Т2 (Т=const). Т.е. к отводу теплоты в количестве Q2 внутренняя энергия рабочего тела при температуре Т2 даже микроскопической своей частью никакого отношения не имеет. В виде теплоты компенсации система отдает только ту энергию, которая сообщается рабочему телу работой изотермического сжатия. Т.е. в гипотетическом двигателе, работающем по круговому замкнутому циклу Карно, теплотой компенсации Q2 является работа изотермического сжатия (за минусом энергии, которая расходуется на увеличение давления). Термодинамика объясняет данную ситуацию следующим образом: При изотермических процессах работа совершается не за счет убыли внутренней энергии U (как это имеет место при адиабатических процессах), а за счет свободной энергии F. Связанная энергия TS (в данном случае внутренняя энергия рабочего тела при температуре Т2) никакого отношения ни к совершению работы, ни к отводу теплоты холодному источнику не имеет. Если можно так выразиться, связанная энергияTS есть «термодинамическая площадка», на которой свободная энергия F превращается в работу и теплоту компенсации. Но у данного вопроса есть еще одна особенность: «Значение tк возрастает при расширении пределов температур, причем легко показать, что это возрастание значительнее при уменьшении Т2, чем при увеличении Т1» (Теплотехника, стр 50). Это означает следующее: 1. Термодинамический потенциал любого рабочего тела используемого в тепловых машинах ограничен, т.е не возможно передать рабочему телу количество теплоты больше чем Q. 2. Чем большее количество связанной энергии TS рабочее тело содержит, тем меньшее количество свободной энергии F (соответственно теплоты Q) ему можно сообщить. 3. Идеальные замкнутые циклы являются не эффективными, ибо высокие значения количества связанной энергии делает их термодинамический потенциал низким. Удаление из термодинамической системы рабочего тела со связанной энергией TS превращает цикл в разомкнутый. Это позволяет за счет малого количества связанной энергии содержащегося в свежем (обновленном) рабочем теле, значительно увеличить термодинамический потенциал системы, т.е. количество подводимой рабочему телу теплоты и соответственно увеличить количество работы цикла. Причем увеличение термодинамического потенциала идеального цикла никоим образом не отражается на его КПД. 4. Согласно соотношению 1/εk-1 при бесконечно большой степени сжатия ε→∞ температура выпускаемых газов будет равна температуре начала сжатия, т.е. Тb→≈Та. Это означает, что удаляемые из цилиндра газы не содержат в себе даже ничтожно малую часть теплоты, которая уходит на компенсацию холодному источнику. 5. Выражение «отвод теплоты от рабочего тела» заведомо предполагает, что рабочее тело находится в термодинамической системе, совершает работу и при этом отдает часть теплоты холодному источнику. Т.е. в основе действия всех циклов тепловых машин лежит элементарная аксиома: работа совершается- теплота отводится; работа не совершается- теплота не отводится. Когда начинается процесс удаления рабочего тела из системы, процесс совершения работы прекращается. Соответственно прекращается и процесс отвода теплоты холодному источнику, относящемуся к данной термодинамической системе. Поэтому удаление рабочего тела из системы никак не может трактоваться, как фиктивный процесс отвода теплоты. Этот процесс может трактоваться только, как процесс обновления рабочего тела в цикле. Таким образом, удаление рабочего тела из термодинамической системы теоретически никакого отношения к отводу теплоты холодному источнику не имеет. Это означает, что содержащаяся в выпускаемых газах теплота не является теплотой компенсации и ее можно превратить в работу. Формула расчета наивыгодной степени сжатия теоретического расчетного цикла: Согласно термодинамике в идеальных циклах адиабатические процессы сжатия и расширения уравновешивают друг друга. Т.е. сумма работ (отрицательная работа сжатия + положительная работа расширения) или изоэнтроп в них равна нулю. «… энтропия системы сохраняется постоянной только в обратимом (равновесном) адиабатном процессе. На этом основании обратимый адиабатный процесс называется изоэнтропным». (Теплотехника, стр. 45). Является бесспорным фактом то, что по мере увеличения степени сжатия механические потери двигателя увеличиваются. Т.е. в действительных циклах процессы сжатия и расширения не являются адиабатическими. В теории ДВС есть ни чем не обоснованные предположения о том, что допустимые пределы степени сжатия бензиновых двигателей находятся в районе 13-14, а дизельных двигателей- в районе 23-25. Также делается предположение о том, что при превышении некоей величины степени сжатия количество отрицательной работы цикла начнет превышать количество положительной работы. Но формулы, которая позволила бы рассчитать величину наивыгодной степени сжатия, в теории ДВС нет. Базой для определения наивыгодной степени сжатия предлагается следующая формулировка: Наивыгодный эффективный КПД будет иметь теоретический расчетный цикл, в котором энергия работы сжатия будет равна половине количества располагаемой теплоты. В частности: Та=350К, Тс=1600 К, Тz=4100 К, Тz-Та=3750, Тz- Тс=2500=∆Т, Тс-Та=1250, Тb=8960К, Тb-Та=546. При перечисленных условиях: εk-1=4,574, ε=77. В теоретическом расчетном цикле при степени сжатия ε=77 работа адиабатического сжатия L2=Q2 или QТ=2L2 (∆Т=2х1250) и термический КПД будет иметь максимальную величину t=1-(Тb-Та)/Тz-Та=85,44%. (Принятая в теории формула расчета термического КПД имеет вид: t=1-(Тb-Та)/Тz-Тс). Согласно второму закону термодинамики КПД термодинамической системы будет равен нулю, если при совершении работы количество отдаваемой на компенсацию теплоты будет равно количеству теплоты подводимой к рабочему телу. К идеальным и теоретическим циклам это положение не применимо, поскольку для них не существует понятия «механических потерь». Но в действительных циклах суммарная мощность механических и других видов тепловых потерь могут уравновесить индикаторную мощность двигателя. В результате этого эффективная работа станет равной нулю. Соответственно этому при дальнейшем увеличении степени сжатия (выше 77) доля отрицательной работы сжатия будет возрастать, а КПД действительного цикла- уменьшаться. Когда расход теплоты достигнет равенства Q=Q2, т.е. количество теплоты, отдаваемой на компенсацию тепловых и механических потерь, будет равна количеству подводимой теплоты, эффективный КПД термодинамической системы станет равным 0. В действительных циклах величина наивыгодной степени сжатия будет располагаться в районе ε≈50. На стр. 86-87 «Теплотехники» приводится расчет, из которого следует, что термический КПД цикла Стирлинга равен термическому КПД цикла Карно. На стр. 251-252 «Термодинамики» И.П.Базарова приводится аналогичный расчет, из которого следует вывод о том, что термический КПД цикла Стирлинга меньше, чем термический КПД цикла Карно. Но из этого вывода И.П. Базарова следует другой вывод. О том, что в цикле Стирлинга термодинамические процессы идеального газа не являются равновесными. Т.е. из вывода о неравенстве КПД приведенных циклов следует, что в одном идеальном цикле процессы идеального газа могут быть лучшими, а в другом идеальном цикле- худшими. В одном идеальном цикле эти процессы (адиабатные и изотермные) могут обеспечить больший КПД (цикл Карно), а в другом идеальном цикле (изохорные и изотермные)- меньший КПД (цикл Стирлинга). 3. К термодинамическим процессам идеального газа применяется одно допущение- они равновесны. Согласно «Теплотехнике» (стр. 25-26), равновесность- это отсутствие разности между одноименными интенсивными величинами параметров состояния (потенциалов). Равновесность процессов означает, что при условииQ=const, соотношение между количеством теплотыQ1, превращаемой в работу, и количеством теплоты Q2, отводимой холодному источнику, будет одинаковым независимо от вида процесса. Ко всем идеальным циклам применяются одни и те же допущения: 1) рабочее тело- идеальный газ. 2) Процесс преобразования теплоты в работу для всех циклов (идеальных) ограничен одними и теми же условиями: рабочему телу подводится теплота, рабочее тело изменяет свое состояние. Часть теплоты превращается в работу, вторая часть передается холодному источнику. Других допущений нет. Если это так, то как термический КПД одного идеального цикла может быть меньше или больше чем у другого идеального цикла? Или к идеальному циклу с «худшим» КПД применяются какие-то дополнительные допущения, которые делают процессы идеального газа неравновесными? Поэтому не важно из каких процессов состоит цикл. Важен принимаемый нами постулат термодинамики -все процессы идеального газа равновесны. Этот постулат делает вывод о равенстве термического КПД идеальных циклов аксиомой, которая не нуждается в доказательствах. Существует формулировка: в заданном интервале температур термический КПД цикла Карно является наивысшим. Но интервал температур в цикле Карно является лишь результатом работы сжатия. Т=const является условием, при котором совершаются работы изотермического сжатия и расширения. Точно так же Р=const, V=const и С=const являются условиями, которыми может быть обставлен процесс преобразования теплоты в работу. Если условия являются равновесными, то при одинаковом количестве работы сжатия результат процесса будет одинаковым. Основным фактором является работа сжатия, которая создает интервал температур, или давлений, или объемов. Поэтому, если количество работы сжатия сравниваемых идеальных циклов равно, и они основаны на термодинамических равновесных процессах идеального газа, термический КПД цикла Стирлинга или другого идеального цикла не может быть больше или меньше, чем у цикла Карно. Во всех идеальных циклах по преобразованию теплоты в работу путем сжатия и расширения рабочего тела, работа сжатия является общей характеристической функцией, определяющей термический КПД цикла. Степень сжатия является характеристическим параметром, определяющим КПД тепловых машин. Термический КПД идеального цикла не зависит от вида термодинамического процесса идеального газа. В дискуссиях с нами некоторые теоретики объявили перечисленные положения бессмысленными. По их утверждениям в массовом двигателестроении последних лет наметилась тенденция ухода от высоких степеней сжатия. Так, наиболее оптимальными степенями сжатия для дизелей считаются величины ε=13,5-17. По их мнению, такие величины степеней сжатия при нормальных скоростях нарастания давления в цилиндре позволяют при относительно неплохих величинах эффективного КПД, обеспечить стабильную работу и большой ресурс двигателей. Приведенные положения имеют не столько теоретическое, сколько практическое значение: 1. Приписывание одному из термодинамических процессов газа (V=const, см. приведенную выше цитату Д.Н.Вырубова) или одному из циклов (цикл Карно) каких-то особых, выходящих за рамки законов термодинамики свойств, завела практику двигателестроения в тупик. 2. На данный момент у нас имеется 4 обкатанных бензиновых двигателя со степенями сжатия от 17 до 22. Пробег одного из них составляет 45 тыс. км. Второй был обкатан на 5 тыс. км и после этого отработал на стенде, примерно, 200 часов. Пробег двух остальных составляет по 10 тыс. км. Наши исследования и эксперименты показывают, что причины возникновения детонации в бензиновых двигателях и высоких скоростей нарастания давления в дизельных двигателях имеют один корень: это недостаточная величина степени сжатия (или работы сжатия), из-за которой основную фазу выделения теплоты приходится обеспечивать в зоне малого изменения объема рабочего тела. Эксперименты с бензиновыми двигателями с высокими степенями сжатия показывают, что выявленные возможности регулирования скорости увеличения давления, путем увеличения степени сжатия и смещения основного периода тепловыделения на линию расширения могут быть использованы и при организации процесса сгорания в дизельных двигателях, что позволит устранить перечисленные недостатки. Что при этом важно, увеличение степени сжатия дизельных двигателей до сверхвысоких величин (до 51), приведет к уменьшению максимальных давлений и температур цикла и соответственно к уменьшению массогабаритных показателей и увеличению ресурса таких двигателей по сравнению с двигателями с обычными степенями сжатия. Фактор давления: Что происходит в действительных циклах бензинового и дизельного ДВС с обычными степенями сжатия? 1. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε<5. Согласно учебным данным (см. рис. 80, Сороко-Новицкий, стр.142 т.1) в таком двигателе (ε=3,2) максимальное давление цикла величиной Рz=19 кг/см2 может быть достигнуто за 100 до ВМТ. Фаза активного тепловыделения приходится на период малого изменения состояния рабочего тела. Если фазу активного тепловыделения сместить по углам ПКВ дальше от ВМТ, плотность компонентов (давление) уменьшится, интенсивность тепловыделения снизится. Это приведет к нарушению нормального процесса сгорания. 2. Бензиновый двигатель со степенью сжатия ε=10. В таком двигателе максимальное давление цикла Рz уже не может быть достигнуто не только до ВМТ, но и в ВМТ. Если фазу активного тепловыделения сместить в ВМТ, то максимальное давление цикла составит Рz=96 кг/см2 (см. расчет И.М. Ленина на стр. 16-17 т.1),что вызовет нарушение нормального протекания процесса. 3. Дизельный двигатель со степенью сжатия ε>17: Несмотря на то, что в дизельном двигателе с α>1,3 количество располагаемой теплоты существенно меньше, из-за высокой скорости нарастания давления, обеспечить в нем процесс с V=const становится невозможным. Из-за высокой степени сжатия давление на начало расширения обеспечивает такую плотность компонентов, что становится необходимым вводить часть теплоты на линии расширения при Р=const. Для наглядности сказанного рассмотрим таблицу зависимости максимального давления Рz от степени сжатия при подводе теплоты по процессу с V=const: Степень сжатия: 5 10 25 40 51 В конце сжатия: Давление, кг/см2 9,9 25 91 175 246 Температура, К 665 880 1268 1531 1687 Макс.давление, кг/см2 |