Лекция 6. Идеальные циклы тепловых двигателей

6.1. Термодинамический метод исследования циклов тепловых двигателей

Основными задачами термодинамического метода исследования циклов тепловых двигателей являются:

• определение величины подведенной q₁ и отведенной q₂ теплоты, а также работы цикла l_ц;

• определение эффективности преобразования подведенной к рабочему телу теплоты q₁ в работу цикла l_ц, т.е. определение термического КПД цикла η_t и факторов, на него влияющих;

• оценка путей повышения эффективности цикла.

Превращение теплоты в работу в циклах реальных двигателей связано с рядом сложных физических, химических и газодинамических процессов (горение топлива, теплоотдача от рабочего тела в стенки двигателя, течение вязкого газа в различных элементах двигателя и др.). Они изучаются в теории авиационных двигателей.

В технической термодинамике проводятся изучение и исследование идеальных циклов тепловых двигателей. В них реальные процессы заменяются идеальными. При идеализации циклов обычно принимаются следующие допущения:

1) процессы, составляющие цикл, являются обратимыми, т.е. l_трен и другие диссипативные явления отсутствуют;

3) рабочее тело в цикле обладает неизменным химическим составом, если это газ, то он считается идеальным;

4) реальный процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне;

5) цикл считается замкнутым, процесс смены рабочего тела не рассматривается, а заменяется обратимым процессом отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду.

Максимально возможная степень преобразования теплоты в работу цикла достигается в цикле Карно, который осуществляется в том же интервале температур, что и в исследуемом цикле.

Совершенство произвольного обратимого цикла оценивается тем, насколько его термический КПД отличается от термического КПД цикла Карно, осуществляемого в то же интервале крайних температур. Эту оценку выполнить сложно, т.к. трудно вычислить η_t произвольного цикла. Поэтому пользуются следующими методами сравнения эффективности циклов.

А) Графический метод сравнения циклов в t,s – координатах

В этих координатах (рис. 6.1) наглядно изображаются теплоты и,

входящие в выражение для .

Рис. 6.1. Графический метод сравнения циклов

Сравним произвольный цикл abcd, осуществляемый в интервале температур Т_max и Т_min с циклом Карно 1234 в этом же интервале температур. Из графика видно, что в произвольном цикле < , а > . Следовательно , поэтомубольшепроизвольного цикла.

б) Метод сравнения циклов путем сравнения средних температур подвода и отвода теплоты в цикле.

Для анализируемого цикла можно записать ,. Следовательно,,a .

Если анализируемый цикл заменить циклом Карно в интервале температур и, то термический КПД такого циклабудет ниже, чем термический КПД цикла Карно в интервале температур, т.е. меньше, чем.

Таким образом, чем выше в исследуемом цикле и ниже, тем выше его термический КПД и тем ближе он к циклу Карно, осуществляемом в интервале температур.