Диаграммы р-ʋ процессов

изохорного изобарного изотермического адиабатного Адиабатный процесс

Адиабатным процессом называют процесс, протекающий без подвода и отвода теплоты:

pʋ^k - const, где k — показатель адиабаты — величина, равная отношению удельной изобарной теплоемкости к удельной изохорной теплоемкости: k = c_p/c_ʋ.

Политропный процесс - процесс, в котором могут изменяться одновременно все параметры газа (р, ʋ, Т), и между газом и окружающей средой осуществляется теплообмен. Процессы в тепловых машинах, как правило, являются политропными (указанные выше процессы –частные случаи политропного процесса). Уравнение политропного процесса: pʋⁿ = const, где п — показатель политропы.

Второй закон термодинамики

Одна из формулировок утверждает, что теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более тёплому.

По другой формулировке самопроизвольный выход термодинамической системы из равновесного состояния практически невозможен.

Таким образом можно утверждать следующее:

• теплота только тогда может быть преобразована в механическую работу, когда в термодинамической системе имеется перепад температур;

• совершаемая работа зависит от уровня этих температур:

• полный переход теплоты в работу невозможен.

Цикл теплового двигателя. Принцип преобразования тепловой энергии в механическую работу состоит в использовании эффекта значительного объемного расширения газообразных рабочих тел при их нагревании. Чтобы реализовать этот принцип необходимо иметь машину с рабочей полостью переменного объема, который должен быть заполнен рабочим телом. Один их вариантов такой машины — цилиндр с поршнем, перемещение которого позволяет изменять рабочий объем. При подводе теплоты к газу последний расширяется и, оказывая силовое воздействие на поршень, перемещает его и производит внешнюю работу. Для непрерывного получения механической работы необходимо осуществить круговой процесс, т. е. цикл.

Циклом называется совокупность процессов, происходящих в определенной последовательности, в результате осуществления которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.

Диаграммы циклов работы тепловых машин прямой (а) и обратный (б).

В реальных тепловых двигателях после осуществления каждого цикла происходит смена рабочего тела. Однако возможны и замкнутые циклы, совершаемые с одним и тем же рабочим телом путем изменения параметров его состояния. С точки зрения термодинамики эти две схемы совершенно эквивалентны. Прямые циклы лежат в основе работы тепловых двигателей. Работа обратного цикла отрицательна и используется в холодильных машинах.

Термодинамический КПД определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую в прямом цикле.

Тема 90. Принцип работы двс. Параметры характерных точек. Термический кпд.

Классификация тепловых двигателей, по способу подвода теплоты к рабочему телу различают:

- двигатели внешнего сгорания; - двигатели внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) по способу реализации полезной работы цикла могут быть:

- поршневыми (роторно-поршневыми): - газотурбинными;

- комбинированными: - реактивными.

ДВС — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется путем сжигания топлива внутри самого двигателя.

Рабочим телом в ДВС является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе — продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива.

П ринцип работы ДВС показан на рис. (Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС и его принципиальная схема), где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.

Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной К1, и выпускной К2 клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает возвратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впускной клапан K1, засасывается горючая смесь (кривая О—1'). Прямая а—а' соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, ʋ и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1’—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры p, ʋ и Т при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.

По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, гак и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения. На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.

При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан К2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р₄ до р₁ не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т. е. без теплообмена. Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0), меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.

Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным. Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно.