5.Идеальный и реальный газы. Уравнения состояния. Основные процессы.

Под идеальным газом понимают воображаемый газ, в кот. отсутствуют силы притяжения м/у молекулами, а собственный объём молекул исчезающее мал по сравнению с объёмом междумолекулярного пространства. Т.о молекулы ид. газа принимаются за материальные точки. В действительно сущ-х газах при высоких температурах и малых давлениях можно пренебречь силами притяжения и объёмом самих молекул. Поэтому такие газы можно также считать идеальными.

В тех газах, которые находятся в состояниях, достаточно близких к сжижению, нельзя пренебречь силами притяжения между молекулами и объёмом последних. Такие газы нельзя отнести к идеальным, и их называют реальными газами.

Основное уравнение кинетической теории газов имеет следующий вид:

P = (2/3)·n·(m·ω²)/2,

где р – давление идеального газа;

n – число молекул в 1 м³ газа;

m – масса одной молекулы;

ω – так называемая средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул.

Выражение m·ω²/2 есть средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы. Т.О. осн-е урав-е кинетической теории газов устанавливает связь м/у давлением газа, средней кинетической энергией поступательного движения молекул и их концентрацией.

Основные зависимости, характеризующие соотношения м/у параметрами ид. газа при некоторых вполне определённых условиях изменения его состояния, легко получаются из основного уравнения кинетической теории газов. Так, если температура газа не изменяется, т.е имеет место изотермический процесс (Т=const), то давление газа и его удельный объём связаны следующей зависимостью (закон Бойля-Мариотта):

p·υ=const.

Если давление газа остаётся постоянным (p = const) – изобарный процесс – то соотношение между удельным объёмом газа и его абсолютной температурой подчиняется закону Гей-Люссака:

υ/Т = const или ρ·T = const.

Изохорный процесс – это процесс, протекающий при постоянном объёме системы; при этом надо помнить, что в данном определении важно постоянство удельного объёма.

Для изохорного процесса изменение состояния идеального газа остаётся постоянным соотношение: (закон Шарля)

T/p = const или V = const

Адиабатный процесс – процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Математически этот закон можно записать:

q = 0, dq ≡ 0.

Исходными являются два соотношения: C_V·dT = p·dυ

C_P·dT = -υ·dp

После преобразования получаем: dp/p = -dυ/k;

И после интегрирования: p·υ^k = const.

Адиабата круче изотермы.

Политропный процесс – процесс, уравнение которого выглядит p·υⁿ = const, или процесс протекающий с постоянной величиной отношения (C_V-C_X)/(C_P-C_X)=n, где С_Х – теплоёмкость данного процесса, n – показатель политропы. Он в каждом конкретном процессе есть величина постоянная и лежит в пределах -∞<n<∞.

6.CЖАТИЕ ГАЗА В КОМПРЕССОРЕ. РАБОТА КОМПРЕССОРА. ВРЕДНОЕ ПРОСТРАНСТВО, МНОГО-СТУПЕНЧАТОЕ СЖАТИЕ, НЕОБРАТИМОЕ СЖАТИЕ.

Компрессор – это устройство непрерывного действия, предназначенное для полного сжатия газа. Он широко применяется в технике в виде самостоятельных агрегатов ,в виде составных частей тепловых двигателей и холодильных машин.

Компрессоры могут быть самой различной конструкции и принципа действия. При этом их можно разбить на 2 группы:

1) компрессоры, где сжатие газа проходит по схеме: заполнение газом рабочего объёма; сжатие газа в этом объёме за счёт механической работы передаётся через элементы объёма; проталкивание сжатого газа в сосуд;

2) сжатие газа происходит по схеме: газу сообщается некоторая скорость и он ускоряется, т.е. ему сообщается некоторая кинетическая энергия. Затем поток газа затормаживается, в ходе чего кинетическая энергия потока трансформируется в потенциальную энергию сжатого газа, который поступает в ресивер.

Рассмотрим работу одноступенчатого компрессора, т.к. на первом этапе все процессы, протекающие в нём однотипны. Допущения:

1) газ идеальный;

2) вредный объём компрессора отсутствует;

3) сопротивление газового тракта отсутствует.

В цилиндре движется поршень, два крайних его положения называются верхней мёртвой(ВМТ) и нижней мёртвой точкой(НМТ). Имеются два клапана – впускной и нагнетательный. Возвратно-поступательные движения поршня обеспечиваются с помощью кривошипно-шатунного механизма. При движении от ВМТ к НМТ при открытом ВК происходит заполнение цилиндра газом. А1 – заполнения газом цилиндра. Объём предоставляемый газом увеличивается и масса газа растёт. По достижении НМТ начинается обратное движение поршня при закрытых клапанах. 12 – термодинамический процесс сжатия газа, р↑, υ↑, Т↑. по достижении р₂, на которое отрегулирована пружина происходит открытие НК при дальнейшем движении поршня к ВМТ сжатый газ удаляется из цилиндра. 2-б – не является термодинамическим процессом (Т, υ, p = const).

Во многих случаях не хватает давления, получаемого с помощью одноступенчатого компрессора. В основном это происходит по той причине, что реальный компрессор требует смазки. Но масло, применяемое для смазки компрессоров реагирует с кислородом и при достижении высоких температур окисляется в виде взрыва. Поэтому чаще применяют многоступенчатое сжатие с охлаждением сжимаемой среды после каждой ступени. Анализ построения термодинамических диаграмм показывает, что при увеличении числа ступеней компрессора процесс сжатия приближается к изотермическому, что объясняет уменьшение работы, необходимой на сжатие газа.

Работа 1-ой ступени равна:

L^I_k = p₁·V₁·k·(X₁^(k-1)/k-1)/(k-1);

где X₁=р₂/р₁.

Работа второй ступени:

L^II_k = p₃·V₃·k·(X₂^(k-1)/k-1)/(k-1); X₂=p₄/p₂;

Суммарная работа будет зависеть от : числа ступеней, начальной температуры воздуха перед каждой ступенью, распределения давления по ступеням: _n

L_k=∑L_k^(γ).

¹

Вредным объёмом компрессора называется объём в цилиндре компрессора, который остаётся между поршнем и стенкой цилиндра при нахождении поршня в верхней мёртвой точке. Вредный объём предусмотрен во избежание разрушения цилиндра и поршня при работе компрессора. Но наличие вредного объёма уменьшает производительность компрессора. Проследим как влияет конечное давление на уменьшение порции свежего воздуха, вызванное вредным объёмом. Для этого увеличим р_КОН с р₂ до р₂₁. V_ВС1<V_ВС0. таким образом, с ростом давления уменьшается производительность компрессора. Это уменьшение принято характеризовать с помощью объёмного КПД компрессора:

λ_υ=V_ВС/V_h, где V_ВС – всасываемый объём, V_h – рабочий объём цилиндра.

λ_υ = (V_Ц/V_ВР – (р₂/р₁)^1/n)/(V_Ц/V_ВР – 1).

n=k – для адиабатного сжатия,

n=n – для политропного сжатия

7. ГТУ. ЦИКЛЫ, РЕГЕНЕРАЦИЯ, НЕОБРАТИМОЕ СЖАТИЕ И РАСШИРЕНИЕ, МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ПОДВОД И ОТВОД ТЕПЛОТЫ.

ГТУ отличает равномерность хода, большая удельная мощность, мобильность, отсутствие сложной схемы охлаждения, высокие начальные температуры в цикле.

К – компрессор; КС – камера сгорания; ТН – топливный насос; Т – турбина.

В оздух из атмосферы поступает в К, где сжимается до 80 атм. Из К сжатый воздух поступает в КС, туда же подаётся топливо – жидкое или газообразное. Процесс горения протекает непрерывно, образуя дымовые газы, которые направляются в Т, где расширяясь совершают работу, которая идёт на привод К большей частью и на привод полезной нагрузки.

Теплота подводится изобарно. Выхлоп в атмосферу не рассматривается, а заменяется на изобарный отвод теплоты. С учётом этого цикл ГТУ в TS- и pV-диаграммах имеет вид:

Анализ цикла позволяет установить, что у процесса подвода и отвода теплоты есть участки с одинаковыми температурами. Естественно, используется это обстоятельство и осуществляется нагрев рабочего тела на участке 1-А за счёт охлаждения рабочего тела на участке 3-В. Такой переброс теплоты в пределах цикла называется регенерацией. В результате этого КПД цикла возрастает:

η_T(P) = 1-q_2P/q_1P=1-(q_2P-q_РЕГ)/(q₁-q_РЕГ) → η_T(P)> η_T.

Регенерация один из основных способов приближения η_T к η_T­ цикла Карно при тех же температурах.

η_T = 1-Т₂^ИН/Т₁^ИН

Регенерация расширяет интервал средних интегральных температур подвода и отвода теплоты, что делает цикл более совершенным. Вариант регенерации, описанный выше, называется предельной регенерацией. На практике он не реализуется, поскольку требует очень больших размеров регенеративного теплообменника. В реальном процессе количество теплоты регенерации оказывается меньшим.

Схема ГТУ с многоступенчатым сжатием и расширением имеет вид:

8. ПОРШНЕВЫЕ ДВС. СРАВНЕНИЕ ЦИКЛОВ С ГАЗООБРАЗНЫМ РАБОЧИМ ТЕЛОМ.

Их можно разбить на три большие группы: двигатели с внешним смесеобразованием; дизельные; двигатели Тринклера, сочетающие в себе элементы 1-х двух.

Для изучения механического цикла двигателя используется индикаторная диаграмма; по оси ординат откладываются значения мгновенного давления рабочего тела в каждой фазе работы двигателя, по оси абсцисс – угол поршня, соответствующий конкретному давлению поршня

Цилиндр имеет два клапана: впуск и выпуск и обязательно запальное устройство. Внутри цилиндра движется поршень. Всю работу цилиндра можно разбить на такты. 1-й такт – движение от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане, происходит заполнение цилиндра горючей смесью(0-1). В НМТ происходит закрытие ВК и обратным ходом(1-2) сжимается горючая смесь. Итогом этого

является рост температуры и давления этой системы. Вблизи ВМТ срабатывает запальник и поджигает смесь, происходит её сгорание при незначительном перемещении поршня (2-3). Р и Т внутри цилиндра достигают максимальных значений на уровне 1500˚С. Далее поршень движется вновь к НМТ. движение происходит за счёт процесса расширения продуктов сгорания. Совершается так называемый рабочий ход (3-4). И лишь в этом такте совершается полезная работа. Вблизи ВМТ в конце рабочего хода открывается ВыК