Учебное пособие по Теплотехнике. УП ТЕПЛОТЕХНИКА (2 вар, 07). Учебное пособие Рекомендовано Дальневосточным региональным учебнометодическим центром в качестве учебного пособия для студентов неэнергетических
 Скачать 6.53 Mb.
|
|
ГЛАВА 7. Основы циклических процессов 7.1. Второй закон термодинамики Первый закон термодинамики накладывает ограничение на энергетический баланс термодинамической системы, но не рассматривает направленность передачи тепловой энергии при осуществлении процессов в тепловых двигателях. Первый закон термодинамики подтверждает наличие запрета на создание вечного двигателя первого рода, в котором возможно получать полезную работу без затрат энергии. Опытные данные показывают, что механическую работу можно всю превратить в тепловую энергию (например, путем трения), однако всю тепловую энергию превратить в механическую работу невозможно. Это связано с действием одного из фундаментальных законов природы – второго закона термодинамики. Второй закон термодинамики накладывает ограничения на направленность передачи тепловой энергии в термодинамической системе, обуславливает принцип работы теплового двигателя и связывает совокупность энергетических превращений рабочего тела в тепловых машинах с изменением энтропии термодинамической системы. Второй закон включает в себя два постулата. ПОСТУЛАТ КЛАУЗИУСА: Тепловая энергия может переходить сама собой только от тела с более высокой температурой (горячего источника) к телу с более низкой температурой (холодному источнику). ПОСТУЛАТ ТОМСОНА: Нельзя осуществить тепловой двигатель, единственным результатом действия которого было бы полное превращение тепловой энергии какого–либо тела (источника теплоты) в полезную работу, часть этой энергии должна быть отдана другому телу с более низкой температурой (теплоприёмнику). На рис. 7.1 представлено пояснение ко Второму закону термодинамики. Рис. 7.1. Пояснение ко Второму закону термодинамики Из постулата Томсона следует, что невозможно создать вечный двигатель второго рода, который создавал бы работу за счет полного использования энергии источника теплоты. Важнейшим выводом, получаемым из Второго закона термодинамики, является утверждение о том, что любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. 7.2. Понятие циклического процесса Для использования тепловой энергии созданы тепловые машины различного назначения. Машины, которые обеспечивают выработку полезной работы называются тепловыми двигателями. Машины (или аппараты), в которых при затрате работы получают рабочие тела с высокой или низкой температурой, называются трансформаторами теплоты. Типичными трансформаторами теплоты являются холодильные аппараты и тепловые насосы. Все тепловые машины объединяет их циклический принцип действия, то есть в процессе работы этих устройств многократно повторяются одни и те же операции и процессы. В термодинамике круговые обратимые и необратимые процессы принято называть циклами. Из представленного в Р–V диаграмме прямого цикла (рис 7.2.) видно, что для получения полезной работы цикла необходимо совершить круговой процесс 1а2б1, в результате которого рабочее тело вернется в исходное состояние. Рис. 7.2. Циклический процесс в P-V диаграмме При этом полезная работа цикла:
Такой процесс многократно повторяется в каждом тепловом двигателе. Следовательно, для непрерывной работы тепловых двигателей необходим кроме процесса расширения еще процесс сжатия, замыкающий цикл. Обычно циклы состоят из определенной последовательности различных термодинамических процессов (рис 7.3). Работа цикла определяется как площадь цикла в P–Vдиаграмме. Рис. 7.3. К построению циклического процесса Различают прямые циклы (направленные по часовой стрелке), характерные для тепловых двигателей, и обратные циклы (имеют противоположное направление), свойственные всем холодильным машинам и тепловым насосам. Изобразим прямой цикл в Т–S диаграмме (рис. 7.4) и рассмотрим условия его существования. Для осуществления цикла необходимо сочетание термодинамических процессов, сопровождающихся подводом и отводом тепловой энергии. Рис. 7.4. Циклический процесс в T-S диаграмме Подвод теплоты происходит от какого–либо высокотемпературного источника к рабочему телу (процесс 1а2) ; . Отвод теплоты происходит от рабочего тела к какому–то низкотемпературному теплоприемнику (процесс 2б1) ; . Можно рассчитать баланс между подведенной и отведенной в цикле теплотой по разнице ( ) и ( ) или интегрируя . Теплоту цикла можно определить как площадь цикла в Т–S диаграмме. Для установления связи между теплотой и работой цикла воспользуемся Первым законом термодинамики: ; и так как , то . Таким образом, полезная работа прямого цикла равна разности количества подведенной и отведенной в цикле тепловой энергии: . Аналогичные результаты можно получить для обратного цикла, однако в этом случае работа цикла, равная теплоте цикла, будет затрачиваться на его совершение. Все полученные выводы характерны для идеальных тепловых машин, циклы которых состоят из равновесных термодинамических процессов. В реальных условиях необходимо учитывать дополнительные потери теплоты и работы на необратимость процессов, составляющих данный цикл. 7.3. Термический коэффициент полезного действия цикла Характеристикой эффективности прямого цикла теплового двигателя является отношение максимальной работы цикла к количеству подведенной к рабочему телу тепловой энергии. Это отношение называется термическим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла: . КПД цикла теплового двигателя указывает долю затраченной для совершения цикла теплоты, которая может быть превращена в работу. Поскольку работа необратимого цикла всегда меньше, чем у обратимого, то КПД необратимого цикла существенно ниже, чем у цикла, состоящего только из обратимых процессов. Использовать всю энергию горячего источника для превращения ее в работу цикла невозможно, однако необходимо стремится к этому, уменьшая количество отводимой к холодному источнику теплоты . Приняв во внимание, что , . получаем следующее выражение: , где , – среднеинтегральные температуры процессов подвода и отвода теплоты в цикле. В холодильном аппарате на совершение обратного цикла затрачивается работа (или эквивалентное ей количество теплоты), а полезным действием является понижение температуры за счет отвода теплоты от охлаждаемого тела. Эффективность работы холодильного аппарата оценивается по соотношению . Величина называется холодильным коэффициентом обратного цикла. Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты, отводимое от охлаждаемого тела, приходится на единицу затраченной в цикле работы. Для теплового насоса, предназначенного для получения тепловой энергии от низкотемпературного источника и повышения температуры теплоприемника, эффективность обратного цикла определяется с помощью коэффициента преобразования теплоты . Этот коэффициент учитывает соотношение затрат работы в тепловом насосе и выработанной полезной теплоты в обратном цикле. Термический КПД любого прямого цикла всегда меньше единицы, а холодильный коэффициент и коэффициент преобразования теплоты могут быть значительно больше единицы. 7.4. Цикл Карно как эталонный термодинамический цикл Наиболее простым и удобным для термодинамического анализа является цикл, который невозможно реализовать на практике, однако его показатели непосредственно используются при исследовании эффективности работы различных тепловых двигателей. Такой круговой процесс по фамилии выдающегося французского ученого называется циклом Карно (рис. 7.5, 7.6).
Цикл Карно состоит из последовательности четырех термодинамических процессов – двух изотермических и двух адиабатных. Как и все циклы, он может быть прямым и обратным. Основные процессы в прямом цикле Карно происходят в следующей последовательности: 4–1 – изотермический процесс расширения газа с подводом тепловой энергии ; 1–2 – адиабатное расширение газа ( ); 2–3 – изотермическое сжатие газа с отводом тепловой энергии ; 3–4 – процесс сжатия газа по адиабате ( ). Полезная работа цикла, определяемая как площадь в Р–Vдиаграмме, равна полезной теплоте цикла . Таким образом, термический КПД цикла Карно будет равен . Для изотермических процессов 4 – 1 и 2 – 3 справедливы зависимости: и . В соответствии с адиабатными процессами 1 – 2 и 3 – 4 , а также или . Исходя из этого, выражение для термического КПД цикла Карно принимает следующий вид . На основании этой зависимости сформулирована теорема Карно: Термический КПД цикла Карно зависит только от температуры источника теплоты и температуры теплоприемника и не зависит от вида и свойств рабочего тела. Из теоремы Карно следует, что если известны максимальная и минимальная температуры любого произвольного термодинамического цикла, то рассчитанный по этим температурам КПД цикла Карно будет всегда больше термического КПД исследуемого цикла. Таким образом, , где . Это обусловлено тем, что в реальных циклах тепловых машин средняя температуры подвода тепла всегда меньше максимальной, а средняя температура отвода тепла всегда больше минимальной. Аналогичные выводы можно получить для обратного цикла Карно, который считается идеальным циклом для всех трансформаторов тепла. В этом случае цикл Карно обладает максимальными значениями холодильного коэффициента и коэффициента преобразования тепла. Цикл Карно можно использовать для сравнения циклов различных тепловых машин при расчете их термодинамической эффективности. 7.5. Регенерация теплоты в циклических процессах Наиболее экономичным циклом, который совершается в заданном интервале температур, является цикл Карно, осуществить на практике который невозможно. Однако существуют технические решения, позволяющие приблизить показатели реальных циклов к показателям цикла Карно, одним из таких методов является регенерация тепловой энергии в цикле. В качестве примера рассмотрим процесс регенерации в цикле, состоящем из двух эквидистантных политроп и двух изотермических процессов. На рисунках 7.7, 7.8 представлен регенеративный цикл соответственно в P-V и T-S диаграммах.
В общем случае регенеративным называют цикл, в котором теплота, отведенная от рабочего тела в одном процессе, в дальнейшем сообщается ему в другом процессе: – подводимая теплота, – отводимая теплота. Так как , то если осуществить передачу теплоты с участка 1–2 на участок 3–4, можно уменьшить количество подводимой и отводимой тепловой энергии в цикле. Если в первом случае , то при применении регенерации . Таким образом, термический КПД идеального регенеративного цикла равен термическому КПД цикла Карно (в тех же интервалах температур). В реальных тепловых двигателях осуществить полную (идеальную) регенерацию тепловой энергии невозможно, однако этот способ повышения термического КПД широко используется на практике и позволяет значительно снизить непроизводительные затраты тепловой энергии. 7.6. Изменение энтропии в обратимых и необратимых циклах Из формулы КПД цикла Карно можно получить соотношения или , которые показывают, что сумма всего количества приведенной к температуре тепловой энергии, обращающейся в цикле, должна быть равна нулю. Поскольку любой цикл можно представить как цикл, состоящий из бесконечного числа циклов Карно с минимальными значениями и , то получим и в пределе . Это означает, что для любого обратимого цикла интегральная сумма приведенной теплоты равна нулю. Приведенная теплота, представленная в дифференциальной форме соответствует изменению энтропии , поэтому . Таким образом, полное изменение энтропии в круговом обратимом термодинамическом процессе равно нулю. Рассматривая необратимые циклы, можно отметить, что изменения энтропии рабочего тела после совершения цикла не происходит. Однако энтропия всей термодинамической системы, включающей кроме рабочего тела также источник теплоты и теплоприемник, всегда возрастает . Это доказывает возрастание энтропии во всех реальных циклах тепловых машин, которые включают в себя необратимые термодинамические процессы, сопровождающиеся потерями энергии. Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Дайте формулировку Второго закона термодинамики. Почему невозможно создать вечный двигатель «второго рода». Докажите, что процессы передачи теплоты являются необратимыми. Какие термодинамические процессы называют циклами? Какой циклический процесс совершается при работе теплового двигателя? Какой циклический процесс совершается при работе трансформатора тепла? В какой диаграмме можно определить работу цикла? В какой диаграмме можно определить полезную теплоту цикла? Запишите уравнения, используемые для расчета термического КПД прямого цикла. Запишите уравнения, используемые для расчета холодильного коэффициента. Запишите уравнения, используемые для расчета коэффициента преобразования тепла. Изобразите цикл Карно в P-V и T-S диаграммах. Почему цикл Карно считается идеальным циклом? В чем сущность теоремы Карно, как рассчитать КПД этого цикла? Как определить максимальную величину термического КПД любого прямого цикла? Для чего применяют регенерацию теплоты в циклических процессах? Изобразите цикл с регенерацией теплоты в P-V и T-S диаграммах. Как найти среднеинтегральные температуры подвода и отвода теплоты в цикле? Как изменяется энтропия в обратимых и необратимых циклах? Чем отличаются обратимые и необратимые циклические процессы? ГЛАВА 8. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ К двигателям внутреннего сгорания относятся поршневые ДВС, газовые турбины и реактивные двигатели. Поршневые двигатели – самые распространенные в технике, они отличаются принципом получения механической работы, которой состоит в периодическом расширении и сжатии рабочего тела, находящегося в цилиндре под поршнем, усилие от которого передается потребителям механической энергии. ДВС применяются в авиации, в автотранспорте, водном и железнодорожном транспорте, а также используются как небольшие стационарные энергетические установки. Конструктивное использование ДВС разнообразно, однако по термодинамическим признакам (исходя из вида используемого цикла) их можно разделить на три класса: а) двигатели, использующие цикл с подводом теплоты при постоянном объеме ( ); б) двигатели, использующие цикл с подводом теплоты при постоянном давлении ( ); в) двигатели со смешанным подводом тепловой энергии. 8.1. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме (цикл Отто) ДВС потребляют обычно жидкое или газообразное топливо. На рис. 8.1 представлена схема ДВС с подводом тепла при и реальная P-V диаграмма. Рис. 8.1. Схема ДВС и реальная P–V диаграмма Реальная диаграмма ДВС, работающего по циклу Отто, включает в себя следующее процессы: FА – процесс всасывания через впускной клапан рабочей смеси топлива и воздуха, полученной в карбюраторе; АВ – сжатие рабочей смеси под поршнем, в точке В происходит воспаление смеси зажигательным устройством; ВС – сгорание смеси (практически мгновенное) с повышением давления при незначительном изменение объема; СD – рабочий ход поршня, вызванный расширением продуктов сгорания, при этом совершается полезная работа; DЕ – открытие выхлопного клапана; ЕF – выталкивание продуктов сгорания поршнем. ДВС этого типа получили название карбюраторных и четырехтактных, так как смесь паров топлива и воздуха получается в специальном устройстве – карбюраторе, а поршень за цикл совершает четыре полных хода в цилиндре. Для упрощения термодинамического анализа цикла Отто реальную диаграмму можно свести к теоретической P–V диаграмме (рис. 8.2). На рис. 8.3. представлена теоретическая T-S диаграмма цикла Отто.
Теоретическая диаграмма цикла Отто состоит из следующих процессов: 1–2 – адиабатное сжатие рабочего тела; 2–3 – изохорный подвод теплоты ( ); 3–4 – адиабатное расширение рабочего тела; 4–1– условный изохорный процесс отвода теплоты, эквиватентный выхлопу отработавших газов. Для анализа циклов ДВС используются следующее характеристики: а) степень повышения давления ; б) степень сжатия ; в) степень предварительного расширения . Цикл с подводом теплоты при однозначно может быть задан при известном состоянии рабочего тела в точке 1 параметрами - m, πи . Используя уравнения термодинамических процессов для идеального газа (смеси газов) найдем параметры рабочего тела во всех точках цикла ДВС: , , – заданы; известны mи, =1. ; ; . ; ; . ; ; . Термический КПД любого цикла, в том числе и ДВС, определяется по зависимости: . Если теплоемкость газов не зависит от температуры, то для изохорных процессов подвода и отвода теплоты: ; . Тогда и, подставив значение температур , , , получим . Таким образом, термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты при возрастает с увеличением степени сжатия . Практически повышение степени сжатия ограничивается в ДВС температурой самовоспламенение сжимаемой в цилиндре рабочей смеси, что связано с детонационной стойкостью топлива. 8.2. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) На рис. 8.4, 8.5 соответственно представлены теоретическая P-V и T-S диаграмма цикла Дизеля.
В ДВС с подводом теплоты при ввод в цилиндр топлива и воздуха осуществляется раздельно, причем в цилиндре предварительно сжимается не рабочая смесь топлива и воздуха, а только воздух, что позволяет резко увеличить степень сжатия рабочего тела. После окончания процесса сжатия воздуха в объем цилиндра впрыскивается топливо через специальные форсунки, где оно воспламеняется, так как в воздух имеет высокую температуру после сжатия. Сгорание топлива продолжается определенное время при постоянном высоком давлении. Двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении называются дизельными. Определим параметры в характерных точках цикла: , , – заданы; известны m, и . ; ; . ; ; . ; ; . Термический КПД цикла Дизеля: , где , . Подставив значения температур и зная, что получим . Таким образом, термический КПД цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении возрастает с увеличением степени сжатия воздуха и уменьшается с повышением степени предварительного расширения газов в цилиндре. 8.3. Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) Недостатком карбюраторного двигателя является невозможность получить высокую степень сжатия рабочей смеси, для дизельного двигателя обязат5ельно устанавливать насос высокого давления для обеспечения вспрыска топлива в цилиндр. Можно избежать указанных трудностей при конструирование ДВС. Рассмотрим цикл со смешанным подводом теплоты, он получил названия цикла Тринклера (рис. 8.6, 8.7).
В двигателе Тринклера, схема которого представлена на рис. 8.8, рабочая смесь подается в камеру предварительного сгорания, где часть топлива сгорает при постоянном объеме. Так как рабочая смесь сильно обогащена топливом, значительная его доля выбрасывается в цилиндр, где происходит процесс сгорания при постоянном давлении. Рис. 8.8. Схема двигателя Тринклера Основные характеристики цикла Тринклера: степень повышения давления (m) и степень сжатия (π) определяются так же, как и для цикла Отто. Степень предварительного расширения: . Количество подведенной и отведённой теплоты в цикле Тринклера определяется следующим образом: , . Выразив, как и ранее, температуры в характерных точках цикла через его параметры и, подставив их значения, получим . Таким образом, термический КПД цикла ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера) тем выше, чем больше значения и m и меньше . 8.4. Сравнение циклов ДВС В таблице 8.1. представлено сравнение циклов ДВС. Таблица 8.1. Сравнение циклов ДВС
Сравним рассмотренные циклы ДВС в T–S диаграмме. Рис. 8.9. Циклы ДВС при постоянной величине степени сжатия (π) Рис. 8.10. Циклы ДВС при одинаковой максимальной температуре цикла Из сравнения циклов (рис. 8.9, 8.10) следует, что при одном и том же значении степени сжатия наибольшим термическим КПД обладают карбюраторные двигатели. При одинаковой максимальной температуре цикла наибольшим КПД обладают дизельные двигатели. Контрольные вопросы для самопроверки пройденного материала Дайте классификацию ДВС по термодинамическим признакам. Приведите примеры использования различных видов ДВС в технике. Изобразите действительную (индикаторную) диаграмму карбюраторного ДВС. Изобразите схему ДВС, назовите ее основные элементы. Объясните последовательность основных процессов цикла ДВС в P-V и T-S диаграммах. Назовите основные термодинамические характеристики ДВС. Как определить степень сжатия в ДВС? Как определить степень повышения давления (компрессию) в ДВС? Как определить степень предварительного расширения в ДВС? Запишите уравнение для расчета КПД карбюраторного ДВС. Запишите уравнение для расчета КПД дизельного ДВС. Как влияет степень сжатия на КПД ДВС? Чем отличаются дизельные и карбюраторные ДВС? В каком типе ДВС можно получить большее значение термического КПД? Какое топливо используется в карбюраторных и дизельных ДВС? Как зависит КПД дизельного ДВС от степени предварительного расширения? Как работают ДВС со смешанным подводом тепла? В чем заключаются преимущества и недостатки карбюраторных ДВС? В чем заключаются преимущества и недостатки дизельных ДВС? Какими способами можно повысить термический КПД цикла ДВС? |