Основные термодинамические процессы и циклы

/ Литература / Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт / Основные термодинамические процессы и циклы

Параметры состояния рабочего тела. Рабочие тела (теплоносители), используемые в тепловых двигателях, находятся в газообразном состоянии (воздух, смесь воздуха с топливом, продукты сгорания топлива). Величины, характеризующие физическое состояние рабочего тела, называются термодинамическими параметрами состояния. Основные параметры состояния рабочего тела: удельный объем, давление и температура.

Удельный объем V - первый параметр- представляет собой объем единицы массы вещества, обычно 1 кг. Второй термодинамический параметр- давление (абсолютное) р - есть сила, приходящаяся на единицу площади поверхности, окружающей газ. Давление по международнойсистеме (СИ) измеряется в паскалях (Па), килопаскалях (кПа) и мега-паскалях (МПа), но встречается еще применение в качестве единицы давления килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2). Соотношение между этими единицами: 1 кгс/см2 = =98 000 Па=98 кПа^0,1 МПа. Третий параметр - температура (абсолютная) Т - характеризует степень нагре-тости тела и измеряется в Кельвинах (К). Между абсолютной температурой Т и температурой измеряемой по стоградусной шкале, существует зависимость: Г=<-(-273.

Если хотя бы один из параметров меняется, то изменяется состояние рабочего тела, т. е. происходит термодинамический процесс.

Термодинамические процессы. Совокупность изменяющихся состояний рабочего тела называется термодинамическим процессом. Процесс измене

Рис. 16. Графическое изображение процесса изменения состояния рабочего тела в координатах р-V.
10. Основные термодинамические процессы и циклы

1 - начальное состояние рабочего тела; 2 - конечное состояние рабочего телания состояния рабочего тела можно изобразить графически в координатах р-v (рис. 16). где р - давление рабочего тела в паскалях, a v - его удельный объем в метрах кубических на килограмм.

Для идеального 1 газа при переходе его из одного состояния в другое имеет место зависимость:

Постоянная R в этом уравнении называется газовой постоянной. Размер-

1 Идеальный газ - изучаемый в термодинамике воображаемый газ, у которого отсутствуют силы межмолекулярного притяжения н отталкивания, а сами молекулы представляют собой материальные точки, не имеющие объема. Многие реальные газы по своим физическим свойствам весьма близки к идеальному газу.

10. Основные термодинамические процессы и циклы

Рнс. 17. Диаграмма тепловых процессов в координатах р-и (давление - удельный объем):

1 - изохорный процесс (а = соп8(); 2 - изобарный процесс (р=сопэО; 3 - изотермический процесс (г=со1Ы); 4 - адиабатный процесс (О=0); .5 -политропный процессность этой величины Дж/(кг-К) или кгс-м/(кг-град).

Уравнение pv=RT называется характеристическим уравнением, или уравнением состояния идеального газа Клайперона - Менделеева.

Известно, что полнтропный процесс, обобщающий все тепловые процессы, описывается уравнением

pvn = const или р п ü = const,

где п - показатель политропы.

Из этого уравнения, задаваясь разными численными значениями показателя п, можно получить уравнения основных (классических) тепловых процессов, рассматриваемых в термодинамике, т. е. форма и положение кривых в системе координат pv зависят от показателя п.

Если при подведении к рабочему телу тепла Q (или отведении тепла) процесс осуществляется при неизменном объеме (0 = =const), то показатель политропы имеет значение п--оо (или я=4-°°): 1 1_ рп v - p ±°°v = p<>v^ const.

Так как всякое число в нулевой степени равно единице, то прн «=±оо u = const. Такой процесс изменения состояния рабочего тела, прн котором объем тела сохраняется постоянным, называется нзохорным (1 на рис. 17).

Если тепловой процесс осуществляется прн постоянном давлении рабочего тела, то показатель п-0:

pv11 = ру° = const,

т. е. p = const (так как v°-\). Такой процесс изменения состояния рабочего тела называется изобарным (2 на рис. 17).

Если изменение состояния рабочего тела происходит таким образом, что остается постоянным третий основной параметр, характеризующий состояние тела, - температура Т, такой процесс называется изотермическим. При этом показатель политропы я=1:

pvn = pv - const,

т. е. pv = const. Графическое изображение такого процесса в координатах pv представлено кривой 3 на рис. 17.

Процесс изменения состояния рабочего тела протекает так, что отсутствует теплообмен между рабочим телом н внешней средой, т. е. тепло к рабочему телу не подводится (и не отводится от него), - такой процесс называется адиабатным; при этом уравнение адиабатного процесса, выраженное через переменные р и V, имеет вид

pVk - const,

где k -- показатель адиабаты; для двухатомных газов он равен примерно 1,4, для трехатомных - 1,29-1,34. Графическое нзобра женне этого процесса представлено на рис. 17 кривой 4.

Все другие процессы изменения состояния рабочего тела, не являющиеся нн изохориы-ми, ни изобарными, ни изотермическими, ни адиабатными, будем называть полнтропны-миКривые, описывающие эти процессы на диаграммах, называются политропами (н соответственно изохорами, изобарами, изотермами, адиабатами). Политропные процессы протекают во всех реальных тепловых машинах, в том числе в тепловозных дизелях. Рассмотрение процессов изменения состояния рабочего тела помогает решить важный вопрос- как и куда расходуется тепло, подведенное к рабочему телу.

По первому закону термодинамики, который является частным случаем открытого М. В. Ломоносовым закона сохранения энергии, тепло, подведенное к рабочему телу в каком-либо процессе, расходуется на изменение внутренней энергии тела Ш (иначе, его температуры) и совершение внешней работы 1.:

В изохорном процессе работа 1. = 0, значит все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии (повышение температуры) рабочего тела <2=Д[/.

В изобарном процессе подведенное тепло (3 расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела \11 и выполнение работы Ь.

В изотермическом процессе температура рабочего тела сохраняется постоянной и, следовательно, внутренняя энергия тела не меняется (А£1 = 0). При этом все подведенное тепло идет на совершение внешней работы 0=1.

В адиабатном, процессе тепло к рабочему телу не подводится, так как теплообмен с внешней средой отсутствует ((? = 0): А(/+1 = 0, т. е. £ = -Аи. Значит, в этом процессе внутренняя энергия рабочего тела расходуется на выполнение внешней работы.

Для обобщающего политропного процесса, как общего случая, тепло С), участвующее в процессе изменения состояния рабочего тела, расходуется на увеличение внутренней энергии Аи и на работу I.

Кривые, выходящие нз точки А (см. рис. 17), расположенные правее линии 1, изображают процессы расширения, а расположенные влево от линии 1 - процессы сжатия рабочего тела. По значению показателя п можно, пользуясь кривыми, определить, подводится или отводится тепло в том или ином процессе изменения состояния рабочего тела и как меняется его внутренняя энергия.

Непосредственным результатом большинства термодинамических процессов является деформация рабочего тела. Если при этом происходит увеличение его объема с преодолением внешних сил, то рабочее тело совершает работу. Чтобы уменьшить объем тела, необходимо затратить работу, которую совершают внешние силы.

1 Хотя вообще-то политропнын процесс обобщающий, и по отношению к нему все рассмотренные ранее процессы являются частными случаями.

Таким образом, при переходе рабочего тела из одного состояния в другое выполняется внешняя работа, которой в координатах ри соответствует площадь, расположенная под линией процесса. Пусть начальное состояние газа в цилиндре (см. рис. 16) изображено точкой а конечное - точкой 2. В начальном состоянии газ занимал объем VI, имел давление р\ и температуру 7"г, после расширения до точки 2 он стал занимать больший объем ь2, а давление газа р2 и температура 7"2 стали меньше. В точке 1 газ содержал запас тепла С}\, в точке 2 - <22- Таким образом, изменение состояния рабочего тела (газа) в координатах ри изображается в данном случае кривой 1-2. При этом объем газа увеличился, а давление и температура понизились. Количество тепла в газе уменьшилось на величину С} = С}[-(?2.

Если предположить, что пространство, в котором происходило расширение газа, изолировано от внешней среды, т. е. тепло к газу не подводилось и не отводилось (адиабатический процесс), то ясно, что тепло <?1-(?2 было израсходовано на совершение внешней работы которая в координатах рь изображается заштрихованной площадью, расположенной ниже линии 1-2. Эта работа, полученная за счет тепла ф, может быть выражена уравнением:

где Я - газовал постоянная (см. выше).

Циклы двигателей внутреннего сгорания. Термодинамические процессы, в результате которых рабочее тело, проходя последовательно различные состояния, возвращается снова в первоначальное (исходное) состояние, называются замкнутыми процессами или циклами. Для того чтобы тепловой двигатель мог длительное время пре-

10. Основные термодинамические процессы и циклы

V

Рис. 18. Диаграмма обобщенного идеального термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания: ас - сжатие рабочего тела; су - подвод тепла ири постоянном объеме, уг - подвод тепла при постоянном давлении, гЬ - расширение рабочего тела; Ьа - отвод тепла прн постоянном объемеобразовывать тепло в механическую работу, он должен работать по замкнутому термодинамическому циклу.

В координатах р-V (так же, как и в любой другой системе координат, по осям которой отложены параметры состояния рабочего тела) такие циклы изображаются замкнутыми контурами (рис. 18). В процессе сжатия рабочего тела (адиабата ас) вся затраченная на сжатие работа идет на повышение внутренней энергии тела, т. е. его температуры. Подведенное тепло (?1 расходуется частично на повышение температуры тела (в изохорном процессе су), а частично - на выполнение внешней работы (изобарный процесс уг). Из термодинамики известно, что чем выше наибольшая температура цикла (Тг), тем выше коэффициент полезного действия тепловой машины. В процессе расширения гЪ рабочего тела совершается работа по преодолению сопротивления внешних сил. Изо-хорный процесс Ьа соответствует отнятию тепла (?2 от рабочего тела (отвод тепла к «холодильнику»). Полезная работа Ь, полученная в идеальной тепловой машине, изображается площадью асугЬ, расположенной внутри диаграммы термодинамического цикла.

Степень использования тепла в идеальном цикле называется термическим коэффициентом полезного действия тепловой машины:

т. е. термический к.п.д. есть отношение полезно использованного тепла к подведенному в идеальном цикле.

Термодинамические циклы описывают работу идеальных тепловых машин, в которых тепло превращается в механическую работу наиболее совершенно, так как предполагается, что они работают без трения, без охлаждения стенок цилиндра, и не принимаются во внимание многие другие обстоятельства, имеющие место в реальных двигателях и понижающие степень совершенства преобразования в них теплоты в работу. Таким образом, изучение идеальных термодинамических циклов позволяет определить наибольшее возможное с термодинамической точки зрения значение коэффициента полезного действия превращения теплоты в механическую работу в рассматриваемых условиях.

Идеальные циклы необходимы для сравнения с циклами действительных машин. По величине отклонения действительных циклов от идеальных судят о совершенстве использования тепла в реальных двигателях и намечают меры по их усовершенствованию.

И. Индикаторные диаграммы рабочего процесса четырех- и двухтактных дизелей Так же, как и диаграмму термодинамического цикла, можно изобразить в координатах р-К и действительный цикл двигателя внутреннего сгорания. Полученная при этом диаграмма называется индикаторной.

Диаграмма четырехтактного дизеля. Вначале рассмотрим рабочий цикл четырехтактного дизеля, не имеющего наддува.

Первый такт - наполнение. Когда поршень дизеля двигается слева направо, открывается впускной клапан 3 (рис. 19) и воздух из атмосферы поступает в цилиндр. В двигателях без наддува процесс наполнения цилиндра происходит вследствие разрежения Рис. 19. Диаграмма рабочего цикла четырехтактного дизеля и схема его устройства:

10. Основные термодинамические процессы и циклы

1 - поршень; 2 - цилиндр; 3 - впускной клапан; 4 - форсунка; 5 - выпускной клапанв нем, а давление воздуха в цилиндре достигает 0,085-0,09 МПа, поэтому линия наполнения цилиндра располагается ниже атмосферной (0,1 МПа). В действительности линия наполнения не прямая, так как на нее оказывают влияние неравномерность скорости движения поршня, фазы открытия и закрытия клапанов, конструкция входного патрубка и другие факторы. Для более полной зарядки цилиндра воздухом принимаются меры к снижению сопротивления проходу воздуха в цилиндр. Качество зарядки цилиндра оценивается коэффициентом наполнения Г1„, который обычно равен 0,8-0,88. Это значит, что цилиндр дизеля наполняется воздухом только на 80-88 % по сравнению с тем количеством воздуха, которое поместилось бы в рабочем объеме цилиндра при нормальных условиях окружающей среды. Коэффициент наполнения зависит главным образом от температуры и давления воздуха в точке а (см. рис. 19). Чем выше давление и чем ниже температура воздуха в точке а, тем больше коэффициент наполнения (рис. 20).

Второй такт - сжатие. Поршень движется справа налево, впускной клапан закрывается, воздух в цилиндре сжимается. При этом температура его в точке с повышается до 500-750 "С, а давление может возрастать до 5- 7 МПа. Процесс сжатия на диаграмме изображен линией ас (см. рис. 19). Когда поршень еще не дошел до верхней мертвой точки (в.м.т.) на 18-30° угла поворота коленчатого вала, через форсунку 4 в цилиндр впрыскивается жидкое топливо, которое в точке своспламеняется и начинает гореть. Подача топлива прекращается после того, как поршень уже пройдет в.м.т. на 10-15° и снова начнет двигаться слева направо. Поступившее в цилиндр топливо перемешивается с воздухом и начинает гореть. На диаграмме процесс горения изображен ломаной линией сг'г.

Третий такт - расширение газа. В начале третьего хода поршня происходит сгорание топлива, которое теоретически заканчивается в точке г. Давление в точке г возрастает до 8-13 МПа, а температура до 1750- 2100 К. После точки г происходит расширение газов, которое продолжается до тех пор, пока не откроется выпускной клапан. Последний открывается в точке е' на 40-55° до нижнего положения поршня, когда давление в цилиндре достигает 0,5-0,8 МПа, а температура 1000-1100 К- Предварение открытия выпускного клапана способствует уменьшению сопротивления выходу отработавших газов через выпускную систему и, следовательно, лучшей очистке цилиндра от отработавших Рис. 20. Изменение коэффициента наполнения цилиндров г),, в зависимости от давления и температуры воздуха в цилиндре в начале сжатия

10. Основные термодинамические процессы и циклы

⇐ | Наддув дизелей | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Пойда А. А. - Тепловозы - Индикаторные диаграммы рабочего процесса четырех и двухтактных дизелей | ⇒