Термический кпд цикла Карно определяется из соотношения
|
(4.17) |
.Следовательно, термический КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а зависит только от температур горячего и холодного источников теплоты (теплоотдатчика и теплоприемника) — это так называемая первая теорема Карно. Значение ηtк стремится к 1 при Т1 → ∞ либо при Т2 → 0, но в реальных условиях это недостижимо, поэтому всегда ηtк < 1. На практике, в большинстве случаев, температура теплоприемника Т2 в земных условиях близка к температуре окружающей среды (≈300 К). Поэтому обычно стремятся увеличить КПД теплового двигателя за счет увеличения температуры теплоотдатчика Т1, которая, кстати, ограничивается жаропрочности элементов двигателя.
Вторая теорема Карно утверждает, что никакая тепловая (энергетическая) машина, работающая с двумя источниками теплоты постоянной температуры, не может быть эффективнее машины Карно, работающей с этими источниками. Для доказательства рассмотрим произвольный прямой цикл, изображенный на диаграмме Т,s в виде овала. Опишем вокруг него цикл Карно (предельный цикл Карно) (рис. 4.5). Из совместного рассмотрения этих циклов в Т,s диаграмме видно, что
|
(4.18) |
,так как у цикла Карно q1к больше, а q2к меньше, чем у произвольного цикла.
Рис. 4.5. Произвольный прямой (энергетический) цикл и его предельный цикл Карно.
Отношение площади произвольного цикла, изображенного на диаграмме Т,s, к площади его предельного цикла Карно, описанного вокруг него, называется коэффициентом заполнения. Чем ближе этот коэффициент к единице, тем эффективнее произвольный цикл, тем ближе он приближается по значению КПД к предельному циклу Карно.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1. Изобразите в p,v и T,s координатах теоретический цикл ДВС со смешанным процессом подвода теплоты (цикл Тринклера). Назовите процессы, образующие этот цикл. Объясните термодинамический принцип действия ДВС, работающих по такому циклу.
Рис. 5.2. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера).
На рис.5.2 изображен теоретический цикл ДВС со смешанным процессом подвода теплоты (так называемый цикл Тринклера). Он образован следующими термодинамическими процессами:
– (1-2) – адиабатный процесс сжатия воздуха;
– (2-3) – изохорный процесс подвода теплоты;
– (3-4) – изобарный процесс подвода теплоты;
– (4-5) – адиабатный процесс расширения газов;
– (5-1) – изохорный процесс отвода теплоты.
Термодинамический принцип действия такого ДВС состоит в следующем. В точке 1 адиабатного процесса сжатия 1-2 находится воздух с параметрами окружающей среды. В адиабатно сжатый воздух, имеющий температуру выше температуры самовоспламенения используемого топлива, перед точкой 2, механической форсункой впрыскивается топливо. При этом топливо самовоспламеняется: часть топлива сгорает при постоянном объеме (изохорный процесс подвода теплоты 2-3), а часть — при постоянном давлении (изобарный процесс подвода теплоты 3-4). Поэтому такие ДВС называются двигателями с самовоспламенением, со смешанным подводом теплоты, с внутренним смесеобразованием и, наконец, с медленным горением топлива. В виду отсутствия в этом двигателе воздушного компрессора, обычно навешиваемого на двигатель для сжатия воздуха, используемого для впрыска топлива в цилиндр ДВС, работающего по циклу Дизеля, рассматриваемые ДВС называются безкомпрессорными.