15. Циклы тепловых двигателей с газообразным рабочим телом
В реальных тепловых машинах превращение теплоты в работу связано с целым комплексом сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, учет которых делает изучение циклов достаточно сложным, основанным в большей мере на результатах экспериментов. Такие циклы тепловых двигателей называются действительными. Однако стремление выявить основные закономерности, влияющие на экономичность работы теплоэнергетической установки, оценить совершенство действительных процессов, происходящих в этих установках, вынуждает на первой стадии изучения отбросить все второстепенное с тем, чтобы по возможности полнее отождествить процессы с обратимыми термодинамическими процессами. Для того чтобы получить возможность вместо действительных циклов рассматривать циклы термодинамические, состоящие из обратимых термодинамических процессов, необходимо работу тепловых машин в определенной степени идеализировать. Эта идеализация сводится к тому, что в идеальных термодинамических циклах:
- считается, что процессы протекают во всех своих стадиях с постоянным количеством рабочего тела;
- отбрасывается возможность сгорания топлива, в связи с чем химический состав рабочего тела принимается постоянным при всех стадиях термодинамического цикла. Процесс сгорания при этом заменяется подводом теплоты к рабочему телу от некоторого фиктивного горячего источника теплоты;
- процессы сжатия и расширения рабочего тела принимаются адиабатными;
- удаление отработавшего рабочего тела не учитывается и заменяется отводом теплоты от рабочего тела через стенки цилиндра к так называемому холодному источнику теплоты (холодильнику);
- теплоемкости рабочих тел принимаются не зависящими от температуры;
- рабочим телом является идеальный газ.
Анализ термодинамических циклов различных тепловых двигателей показывает, что все они могут рассматриваться как частные случаи некоторого условного цикла, показанного в p, V- и T, S-диаграммах.
15.1. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (двс)
Французский физик и инженер, один из основоположников термодинамики Сади Карно указал на возможность создания двигателей внутреннего сгорания. Идеи, высказанные им в работе «Размышления о движущей силе огня», в дальнейшем были полностью реализованы. Немецкий инженер Николаус Август Отто осуществил идеи Карно в созданном им в 1877 г. бензиновом двигателе. В 1897 г. немецким инженером Рудольфом Дизелем был разработан двигатель высокого сжатия, который работал на керосине. Распыление керосина осуществлялось воздухом высокого давления, получаемого от компрессора. В 1904 г. русский инженер Густав Васильевич Тринклер построил компрессорный двигатель со смешанным сгоранием топлива – сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении. Такой двигатель получил в настоящее время широкое распространение.
Все современные двигатели внутреннего сгорания подразделяются на три основные группы.
Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном объеме
(цикл Отто).Двигатели, в которых используется цикл с подводом тепла при постоянном давлении
(цикл Дизеля).Двигатели, в которых используется смешанный цикл с подводом тепла как при , так и при (цикл Тринклера).
При исследовании идеальных термодинамических циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к числу определяемых величин относятся: количество подведенной и отведенной теплоты, основные параметры состояния рабочего тела в характерных точках цикла, термический КПД цикла.
Основные характеристики любого ДВС:
степень сжатия – отношение начального удельного объема рабочего тела к его удельному объему в конце сжатия,
степень повышения давления – отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты,
степень предварительного (изобарного) расширения – отношение объемов в конце и в начале изобарного процесса подвода теплоты,
ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых машин. Во-первых, благодаря тому, что у ДВС горячий источник тепла находится как бы внутри самого двигателя, отпадает необходимость в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла от горячего источника к рабочему телу. Во-вторых, в тех тепловых двигателях, в которых подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника, верхний предел температуры рабочего тела в цикле ограничивается значением температуры, допустимым для конструкционных материалов.