книги / Техническая термодинамика и теплопередача

Вводим цилиндр в соприкосновение с горячим источни­ ком теплоты. Расширяясь изотермически при температуре Г, от объема vAдо объема vB, газ забирает от горячего источника теплоту q1 = — S,). В точке b подвод теплоты прекраща­

ем и ставим цилиндр на теплоизолятор. Дальнейшее расши­ рение рабочего тела происходит адиабатно. Работа расшире­ ния совершается при этом только за счет внутренней энергии, в результате чего температура газа падает до Т2 (рис. 18).

Теперь возвратим тело в начальное состояние. Для этого сначала поместим цилиндр на холодный источник с темпера­ турой Т2 и будем сжимать рабочее тело по изотерме cd, со­

вершая работу /ц и отводя при этом нижнему источнику от ра­ бочего тела теплоту:

Яг - Тг($г~5\)'

Затем снова поставим цилиндр на теплоизолятор и даль­ нейшее сжатие проведем в адиабатных условиях. Работа, затраченная на сжатие по линии с/а, идет на увеличение внут­ ренней энергии, в результате чего температура газа увеличи­ вается до Г,.

Таким образом, в результате цикла каждый кг газа получа­ ет от горячего источника теплоту q1( отдает холодному источ­ нику теплоту q2и совершает работу /ц.

Подставим в формулу (3.1) выражение для q, и q2

получим, что термический КПД цикла определяется формулой

Из нее видно, что КПД зависит только от абсолютных тем­ ператур горячего и холодного источников. Увеличить КПД мож­ но, увеличив Г, либо уменьшив Г2.

b

c

s2 s

Рис. 18. Прямой цикл Карно в PV- и TSдиаграммах

Оценим влияние температур ^ и Т2 на значение Л г

дТ, ту дТг 7, ту

Таким образом, увеличение температуры Г, горячего ис­ точника в меньшей степени повышает КПД цикла Карно, чем такое же уменьшение температуры холодного.

КПД цикла л? = 1. если ^ = оо либо Т2= 0 оба значения температур недостижимы. При Г, = Т2 л? = 0, т.е. в этом слу­

чае невозможно превратить теплоту в работу.

Обратный цикл Карно

Осуществим цикл Карно в обратном направлении (рис. 19, 20). Рабочее тело с начальными параметрами точки а расши­ ряется адиабатно, совершая работу расширения за счет внут­ ренней энергии, и охлаждается от температуры Г, до темпера­ туры Т2. Дальнейшее расширение происходит по изотерме,

Рис. 19. Обратный цикл Карно B PV- и TS-диаграммах

и рабочее тело отбирает от нижнего источника с температу­ рой Т2теплоту q2.

Далее газ подвергается сжатию сначала по адиабате и его температура от Т2 повышается до Г,, а затем — по изотерме

(7, = const).

При этом рабочее тело отдает верхнему источнику с тем­ пературой 7, количество теплоты qv Общая схема преобразо­

вания энергии показана на рис. 2 0 .

Обратный цикл Карно является идеальным циклом холо­ дильных установок и так называмых тепловых насосов. В холо­ дильной установке рабочими телами служат, как правило, пары легкокипящих жидкостей - фреона, аммиака. Процесс «пере­ качки теплоты» от тел, помещенных в холодильную камеру, к ок­ ружающей среде происходит за счет затрат электроэнергии.

Эффективность холодильной установки оценивается холо­ дильным коэффициентом, определяемым как отношение ко­ личества теплоты, отнятой за цикл от холодильной камеры, к затраченной в цикле работе:

e = q2/'u = Q2 /(QI - Q2)

Рис. 20. Термодинамическая схема холодильной машины

Используя обратный цикл Карно, рассмотрим еще одну формулировку второго закона термодинамики, которую в то же время, что и В.Томсон, предложил Р.Клаузиус: теплота не может самопроизвольно (без компенсации) переходить от тел с более низкой температурой к телам с более высокой темпе­ ратурой.

Контрольные вопросы.

1.Какой термодинамический процесс называется циклом?

2.Сформулируйте теорему Карно.

3.Дайте определение вечного двигателя первого и второ­ го рода.

4.Сформулируйте второй закон термодинамики.

5.Объясните принцип действия холодильной машины (рис. 19).

Глава 4. ЦИКЛЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Если достаточно долго портить машину, то она испортится.

Закон Шмидта

4.1. Циклы двигателей внутреннего сгорания

Современные ДВС выполнены в виде поршневых газовых двигателей, в которых продукты сгорания топлива являются рабочим телом. Основной частью поршневого ДВС является цилиндр с поршнем. На крышке цилиндра устанавливаются два клапана, через один из которых происходит всасывание рабо­ чего тела, а через другой — выброс отработанных газов по завершении цикла. В таком двигателе горючая смесь сгорает в цилиндре с повышением температуры, а иногда и давления. Продукты сгорания, воздействуя на поршень, перемещают его из одного крайнего положения в другое. При этом совершает­ ся работа расширения. Поступательное движение поршня пре­ образуется во вращательное движение с помощью специаль­ ного устройства — кривошипно-шатунного механизма. Поршневой принцип осуществляется в двигателях мощностью до 30 МВт.

В ДВС реализуются циклы: с подводом теплоты при посто­ янном объеме (цикл Отто, 1876), с подводом теплоты при по­ стоянном давлении (цикл Дизеля, 1892) и со смешанным под­ водом теплоты (цикл Тринклера, 1901).

Индикаторная диаграмма рабочего процесса 4-тактного двигателя такова (рис. 2 1 ):

/- 2 — линия всасывания топливно-воздушной смеси; 2-3 —линия адиабатического сжатия топливной смеси до

давления 3 - 4 МПа;

3- 4 - линия сжигания смеси и выделения энергии. При вос­

пламенении и сгорании топливно-воздушной смеси происхо­ дит выделение энергии, топливо горит быстро, поршень неуспевает сдвигаться;

4- 5 - рабочий ход поршня (можно считать этот процесс

адиабатическим);

L

Г

Рис. 21. Индикаторная диаграмма и схема 4 - тактногодвигателя внутреннего сгорания

5-6— выхлоп, вытеснение рабочих газов в атмосферу

(изобара).

Затем все повторяется снова.

Для термодинамического анализа рабочий процесс дви­ гателя, как правило, заменяют идеальным термодинамичес­ ким циклом, при этом делают допущения:

1) процесс горения смеси заменяют процессом подвода тепла извне;

2 ) процесс выхлопа заменяют отводом тепла во внешнюю среду;

3) потерями на теплообмен и трение пренебрегают; 4 ) считается, что рабочее тело не обновляется, т.е. систе­

ма замкнутая.

Рис. 23. Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме в pv-координатах

Рассматриваемый цикл состоит из следующих процессов (рис. 23): 1-2 — адиабатическое сжатие рабочего тела в ци­ линдре двигателя; 2-3—подвод теплоты при постоянном объе­ ме (быстрое сгорание топлива); 3-4 — адиабатное расшире­ ние продуктов сгорания; 4-1 —отвод теплоты при постоянном

объеме (условный процесс, соответствующий выпуску отра­ ботавших газов).

Чтобы не делать цилиндр двигателя очень длинным, а ход поршня слишком большим, расширение продуктов сгорания в

13 марта 1864 г. Ланген и Отто заключили договор о создании пред­ приятия «Отто и К’», согласно которому Ланген обязывался внести в дело деньги и руководить предприятием, а Отто вносил патенты, инст­ рументы и станки из своей мастерской.

В1889 г. праздновалась четверть века создания первой машины Отто-Лангена, и старинный Баварский университет в Вюрцбурге при­ судил Отто звание доктора «Гонорис кауза».

В1890 г. Общество германских инженеров, желая воздать долж­ ное заслугам своего соотечественника, назначило годовой съезд в Кель­ не, чтобы чествовать изобретателя. Но за месяц до съезда Отто умер в том же Кельне в январе 1891 г.

ДВС осуществляется не до атмосферного давления pv а до

более высокого давления р4, а затем открывают выпускной кла­ пан и выбрасывают горячие (с температурой Г4) продукты сго­ рания в атмосферу. Избыточное давление р4-р, при этом теря­ ется бесполезно. В идеальном цикле этот процесс заменяется изобарным отводом теплоты 4-1.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сго­ рания называется степенью сжатия двигателя е. Применительно к идеальному циклу

Степень сжатия является основным параметром, опреде­ ляющим термический КПД цикла.

Термический КПД цикла двигателя внутреннего сгорания увеличивается с ростом степени сжатия е. Нетрудно получить

В карбюраторном двигателе максимальная степень сжа­ тия ограничивается самовоспламенением топливно-воздушной