Теплотехника шпоры / 17-24

17 Цикл Карно

Рабочее тело находится в теплонепроводя-

щем цилиндре, имея, однако, возможность в необходимых случа-

ях (путем, например, временного снятия изоляции) приходить в

соприкосновение и обмениваться теплом с двумя источниками

тепла, из которых один имеет температуру T1, а другой – темпе-

ратуру T2. Из рисунка 1.19 видно, что величина КПД цикла Карно оп-

ределяется только значениями температур T1 и T2, в интервале

которых совершается этот цикл. Чем выше будет начальная тем-

пература цикла T1 и чем ниже конечная температура T2, тем

больше будет термодинамический КПД.

Термодинамический КПД определится как отношение пло-

щадей 1-2-3-4-1 и 2-5-6-1-2

Однако в любом случае он будет меньше единицы. Для того

чтобы получить значение КПД равным единице, необходимо,

чтобы отношение T2/T1 равнялось нулю. Но это условие может

быть соблюдено либо при T2 = 0, либо при T1 = ∞. Поскольку оба

условия являются практически неосуществимыми, достичь зна-

чения термодинамического КПД равного единице, невозможно.

21Смешанный цикл, в котором подвод теплоты осуществляется

частично при v = const, а частично при р = const был предложен

советским инженером Г.В. Тринклером. Работающие по этому

циклу двигатели называются дизелями, как и двигатели с подво-

дом теплоты при р = const. Эти двигатели в настоящее время

строятся только с комбинированным подводом тепла.

В этом виде цикла (рисунок 1.23) в процессе 1-2 происходит

адиабатное сжатие рабочего тела, после чего подводится тепло

сначала при v =const (линия 2-3), а затем при р = const (линия 3-

4). Далее происходит адиабатное расширение (линия 4-5) и, на-

конец, отвод теплоты при v =const (линия 5-1).

Термодинамический КПД смешанного цикла

Формула

Количество отведенной теплоты (абсолютное значение)

Формула

24 Цикл идеального компрессора

Компрессор – машина для сжатия газов и паров. Для иссле-

дования работы компрессора используют индикаторные диа-

граммы – графическое представление процесса изменения давле-

ния в цилиндре при перемещении поршня

В идеальном компрессоре:

протекают равновесные процессы;

отсутствует трение;

поршень подходит к крышке цилиндра вплотную (нет

вредного пространства);

отсутствуют гидравлические сопротивления при проходе

газа через клапаны;

всасывание и нагнетание газа осуществляется при посто-

янных давлениях р1 и р2.

При сжатии по адиабате 1-2'' (dq = 0, q = 0) работа будет

больше, чем при сжатии как по изотерме, так и по политропе

(1 < n < k), но при этом и объем сжатого газа будет больше, чем в

двух других случаях. Однако газ, сжатый по адиабате, имеет вы-

сокую температуру T2'', а при движении по трубопроводам к по-

требителю охлаждается до температуры окружающей среды T2,

следовательно, часть затраченной работы теряется. На диаграмме всасывание газа в цилиндр изображено лини-

ей 4-1, которая называется линией всасывания (поршень движется

слева направо). При обратном движении поршня происходит

сжатие газа по линии 1-2. Газ, сжатый до давления р2, нагнетает-

ся в напорный трубопровод для подачи потребителю по линии

2-3. В конце выпуска газа (точка 3) давление в цилиндре в иде-

альном случае падает до давления р1 (линия 3-4) и далее процесс

повторяется. Работа, затрачиваемая на сжатие газа за один рабо-

чий процесс (за два хода поршня), определяется как алгебраиче-

ская сумма работ всасывания (площадь 4-1-v1-v4-4), сжатия (пло-

щадь 1-2-v2-v1-1) и нагнетания (площадь 2-3-v3-v2-2), то есть изо-

бражается площадь 1-2-3-4-1.

В идеальном компрессореВ идеальном компрессоре процесс сжатия можно в зависи-

мости от условий охлаждения цилиндра производить по изотер-

ме 1-2, адиабате 1-2'' или политропе 1-2. Работа, затрачиваемая

на сжатие газа, в этих процессах различна.

Из диаграммы видно, что при сжатии газа по изотерме за-

траченная работа будет минимальной (заштрихованная площадь

1-2-3-4-1). При сжатии газа по адиабате 1-2'' затраченная работа

будет максимальна. При сжатии газа по политропе 1-2 затрачи-

ваемая работа имеет среднее значение.

РИСУНОК

18Обратный цикл Карно

Если заставить рабочее тело пройти цикл изменений состоя-

ния в направлении, обратном тому, которое было осуществлено в

цикле Карно, то получится так называемый обратный цикл Кар-

но. В этом случае газ сначала по адиабате расширяется от точки 1

до точки 2 (рисунок 1.20), затем расширение идет изотермически

с получением тепла q2 от холодного источника (линия 2-3). По-

сле этого начинается сжатие газа сначала по адиабате (3-4), затем

– по изотерме (4-1) с передачей тепла q1 горячему источнику. В

результате всего цикла за счет затрат извне (l1 – l2) единиц меха-

нической энергии и q2 единиц тепла, взятых из нижнего источни-

ка, q1 тепла переходят в верхний источник. Причем,

q1 = q2 + (l2 – l1) = q2 + l0.

Машины, служащие для передачи тепла от холодного источ-

ника к горячему и работающие по аналогичному принципу, на-

зываются холодильными машинами и тепловыми насосами

Характеристикой обратного цикла Карно служит отношение

количества отнятого тепла q2 к затраченной механической энер-

гии (l1 – l2 = q1 – q2), называемое холодильным коэффициентом .

ФОРМУЛА

22 Рабочий процесс реального двигателя внутреннего сгорания

принципиально отличается от теоретического цикла идеального

двигателя. Цикл – замкнутый круговой процесс, составленный из

отдельных термодинамических процессов. Рабочий цикл ДВС не

замкнут – после совершения работы в результате расширения

рабочее тело удаляется из двигателя, а на его место поступает

свежая порция горючей смеси. Процессы всасывания и выхлопа

рабочего тела не являются термодинамическими процессами.

Рабочий цикл теплового двигателя есть совокупность от-

дельных процессов, протекающих последовательно в реальном

двигателе за два или один полный оборот коленчатого вала.

Рабочий цикл графически представляется индикаторной диа-

граммой, то есть линией изменения давления внутри цилиндра

при перемещении поршня (рисунок 1.24).

ГРАФИК

.

19Цикл двигателя

К двигателям внутреннего сгорания (ДВС) относят поршне-

вые двигатели, в которых сжигание топлива осуществляется

внутри рабочего цилиндра. Циклы, по которым работают ДВС,

различают по способу подвода в них тепла. По этому признаку

различают циклы:

с изохорным подводом тепла (v = const), являющийся иде-

альным циклом карбюраторных и газовых двигателей;

с изобарным подводом тепла (р = const), являющийся иде-

альным циклом компрессорных дизельных двигателей;

со смешанным подводом тепла (v = const и р = const), яв-

ляющийся идеальным циклом бескомпрессорных дизельных дви-

гателей.

Цикл с подводом тепла при v = const начинается от состоя-

ния рабочего тела в pv- и Ts-координатах (рисунок 1.21), харак-

теризующегося точкой 1, сжатием рабочего тела, которое проис-

ходит при движении поршня справа налево до точки 2. Этот про-

цесс происходит без теплообмена с внешней средой, то есть по

адиабате. Затем осуществляется подвод тепла при постоянном

объеме – по изохоре 2-3, что приближенно соответствует усло-

вию подвода тепла при сгорании горючей смеси в реальных дви-

гателях, использующих легкоиспаряющееся топливо.

Характеристики цикла ДВС:

степень сжатия ε = v1/v2;

степень повышения давления λ = р3/р1;

степень предварительного расширения ρ = v4/v3 (при под-

воде тепла в процессе р = const).

Количество подведенного тепла

q1 = сv(T3 – T2). (1.105)

Количество отведенного тепла

q2 = ср(T4 – T1). (1.106)

Работа цикла

lо = q1 – q2.

23

Цикл газотурбинной установки (ГТУ)

Газотурбинная установка (ГТУ) – тепловой двигатель, в ко-

тором получение механической энергии вращения вала происхо-

дит при отсутствии возвратно-поступательного движения непо-

средственно за счет использования кинетической энергии газа

РИСУНОК

В ГТУ на одном валу располагаются топливный насос 6,

компрессор 2, рабочая турбина 4 и потребитель механической

энергии (электрогенератор 7, насос, вал отбора мощности и т.п.).

Компрессор 2 всасывает воздух из атмосферы, сжимает его до за-

данного давления и подает в камеру сгорания 1. Туда же топлив-

ным насосом 6 подается горючее. Из камеры сгорания газы по-

ступают в сопловый аппарат 3, и из которого они с большой ско-

ростью подаются на рабочие лопатки турбины 4, а затем выпус-

каются в атмосферу. Иногда для увеличения КПД воздух подог-

ревается в теплообменнике 8 отработавшими газами.

Термодинамический КПД цикла

ФОРМУЛЫ