Круговой процесс ДВС - Лекция, раздел Физика, ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Учитывая, Что Давление Рабочего Тела Внутри Двигателя Порядка 3-10 Мпа, А Тем...
Учитывая, что давление рабочего тела внутри двигателя порядка 3-10 Мпа, а температуры рабочего тела превышают критическую, рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ.
По существу ДВС не работают по круговым процессам, потому что газообразные продукты горения, расширившись и отдав работу на коленвал, удаляются из двигателя, а на их место поступает свежая порция горючей смеси, в результате последующего процесса сгорания коренным образом изменяющая свой состав. Изменение хим. состава рабочего тела совершается только в одном направлении, а именно, горючая смесь переходит в продукты сгорания; возвращение же продуктов сгорания в первоначальное состояние горючей смеси практически не осуществимо. Тем не менее можно условно говорить о круговом процессе ДВС, если не принимать в расчет хим. изменений (газовые постоянные горючей смеси и продуктов горения незначительно отличаются друг от друга).
С теоретической точки зрения в ДВС, как и во всяком тепловом двигателе, желательно осуществление цикла Карно, в действительности же он оказывается непрактичным по следующим причинам. Вследствие незначительной разницы в наклоне изотерм и адиабат для газов при большой разнице температур Т1 (
) и Т2 (
), осуществляемой в ДВС, диаграмма цикла в p,v-диаграмме получается сильно растянутой и в вертикальном и в горизонтальном направлениях, т.е. цикл связан с большими давлениями и объемами, в чем можно убедиться следующим образом (рис. 21.1).
Работа цикла Карно 1-2-3-4 равна
, (21.1)
где 
- степень изотермического расширения, а т.к. для адиабаты 2-3
и 
, (21.2)
то 
, (21.3) 
, (21.4)
Рис. 21.1 Из последнего уравнения следует, что работа 
положительна только в том случае, если логарифмируемое выражение в квадратных скобках больше единицы, т.е. если : 
, (21.5)
Для практических, используемых в современных двигателях значений 
и 
и 
МПа при 
получаем 
МПа из 21.5, что для реального двигателя нереально, т.к. максимальное значение в ДВС не превышает 10 МПа.
С другой стороны, мы имеем 
и 
и следовательно, при МПа 
.
Т.е в условиях нашего примера рабочее тело расширяется в двигателе в 400 раз; в действительных же двигателях общая степень расширения обычно не превышает 16-20. Степени расширения порядка 400 связаны с очень громоздкими цилиндрами, не соответствующими мощности двигателя, удорожающими его и заметно понижающими вследствие больших потерь на трение действительное использование теплоты.
Поэтому для снижений максимальных давлений и получения меньшей степени расширения, подвод теплоты от нагревателя к рабочему телу и отдача теплоты холодильнику происходят не в изотермических процессах, как в цикле Карно, а в процессах изохорном, изобарном и смешаном из изохорного и изобарного.
В соответствии с этим циклы поршневых ДВС по характеру подвода теплоты к рабочему телу можно разделить на следующие
Рис. 21.2 три группы:
1. Циклы с подводом теплоты по изохоре. Цикл Отто (Германия, 1876 г).
2. Цикл с подводом теплоты по изобаре. Цикл Дизеля (Германия, 1895 г).
3. Цикл со смешанным подводом теплоты. Цикл Тринклера (Россия, 1904 г).
Отдача теплоты холодному источнику 
во всех этих циклах осуществляется только в изохорном процессе.
21.3. Устройство и принцип действия ДВС
Принципиальная схема ДВС представлена на рис. 21.2. основным элементом ДВС является цилиндр 4 с поршнем 5, соединенным посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части картера 1, а сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания 8 (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость.
В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединен с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем 5, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре.
Кроме основных деталей двигатель имеет ряд вспомогательных механизмов для подачи топлива (топливные насосы, смесительные устройства, фильтры, топливные баки, регулятор), смазки (масляные насосы, фильтры, масляные баки, масленки), охлаждения (водяные насосы, водяные баки, радиаторы) и другие устройства, необходимые для его обслуживания. Вспомогательные механизмы приводятся в движение от коленчатого вала.
Крайние положения поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Ход поршня от ВМТ до НМТ называют тактом. Объем, описываемый поршнем за один ход, является рабочим объемом цилиндра, 
(где 
- диаметр цилиндра, м; 
- ход поршня, м).
Сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя в литрах называют литражом двигателя. Объем между поршнем, находящимся в ВМТ и крышкой цилиндра наз. Вредным пространством или объемом камеры сгорания и обозначается 
. Полный объем одного цилиндра 
. 
, (21.6)
Отношение 
, (21.7)
называется степенью сжатия.
Анализ рабочего цикла ДВС обычно производят с помощью индикаторной диаграммы, на которой графически изображена зависимость давления в цилиндре от объема, занятого газом, или положения поршня.
Все темы данного раздела:
Техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнергетики
Наиболее актуальные задачи, которые решают с использованием термодинамики: создание летательных аппаратов, в том числе космических многоразового действия; проектирование тепловых и
Термодинамическая система. Рабочее тело. Внешняя среда
Термодинамической системой называют совокупность материальных тел, (а также полей) находящихся в механическом и тепловом взаимодействии, а также обменивающихся друг с другом вещест
Термические параметры состояния
Абсолютная температура (T) характеризует тепловое состояние тела, или, как иногда говорят, степень нагретости тела.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории температ
Абсолютное давление (p )
Абсолютное давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела, действующего по нормали
Термические коэффициенты
Как известно, каждый из основных параметров состояния системы p, v, T является функцией двух других ее параметров:
;
Уравнение состояния
Если все термодинамические параметры состояния постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние системы называется равновесным. Если межд
Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный необратимый процессы. Круговые процессы (циклы)
В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой (подвод к телу теплоты или работы) состояние рабочего тела, определяемое параметрами, изменяется
С
Теплота и работа как формы передачи энергии
Теплота и работа представляют две формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому.
Процесс работы – макроскопический, который представляет собой упорядоченную
Термодинамика идеального газа
Под идеальным газом понимают совокупность материальных вполне упругих молекул, обладающих пренебрежимо малыми объёмами, находящихся в состоянии хаотического движения и лишённых сил
Основные законы идеальных газов
Закон Бойля - Мариотта.(изотермический процесс)
В 1662 г. Р. Бойль , а в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга установили зависимость опытным путем объёма газа от ег
Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная
На основании законов Бойля-Мариотта и Гей-Люсака в 1834г Клапейроном было выведено уравнение состояния идеальных газов.
Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p = n k T , (2.14)
Смеси идеальных газов. Закон Дальтона
В ТТД чистым веществом наз. вещество, все молекулы которого одинаковы. Смесь, состоящая из нескольких чистых веществ наз. раствором. Чистыми веществами явл., напри
Внутренняя энергия как функция состояния рабочего тела
Внутренняя энергия обозначается буквой U, ее размерность Дж.
Внутренняя энергия включает в себя:
1. Кинетическую энергию поступательного, вращательного и к
Энтальпия рабочего тела как функция состояния
Термин энтальпия (от греч. euthalpo – нагреваю) введен в 1909 г. Камерлинг-Онессом.
В ТТД важную роль играет величина суммы внутренней энергии U системы и произведения дав
Аналитическое выражение 1-го закона ТТД
Первое начало ТТД представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергииприменительно к тепловым явлениям.
Энтропия как параметр состояния термодинамической системы
Термин энтропия (от греч. entropia – мера превращений ) введен в 1865 году Клаузиусом.
Понятие об энтропии строится на основе следующих соображений.
Уравнение 1-г
Уравнение Майера
В соответствии с 1 – ым законом ТТД для закрытых систем имеем:
С учетом соотношения (3.4.а), подставив его в выражение 1-го
Основные термодинамические процессы идеальных газов
ТД анализ любой системы состоит в следующем:
1. Выявить уравнение процесса. 2. Установить аналитическую взаимосвязь между
параметрами состояния, (связь между парам
Политропный процесс
Политропными процессами наз. процессы, протекающие при постоянной теплоемкости и вызываемые подводом или отводом теплоты. Следовательно, в любом политропном процессе, распределение
Изохорный процесс
Процесс, в котором не изменяется объем наз. изохорным. Линия, изображающая изохорный процесс, наз. изохорой. Этот процесс соответствует закону Шарля.
Графическая интерпрет
Изобарный процесс
При изобарном процессе выполняется условие p=const и dp=0. Этот процесс
соответствует закону Гей-Люссака (рис.4.2).
При р=cоnst с=cp , откуда
Работа изменения объема в изобарном процессе.
Работа в изобарном процессе определяется интегрированием выражения при p=const: , (4.17)
Следовательно, работа газа в изобарн
Изотермический процесс
При изотермическом процессе выполняется условие: dT=0 или T=const.
Таким образом следует, что это возможно, если .
Н
Адиабатный процесс
При адиабатном процессе теплообмен рабочего тела с окружающей средой отсутствует, т.е. рабочее тело предполагается изолированным от окружающей среды идеальной тепловой изоляцией.
Анализ обобщающего значения политропного процесса
Для определения закона, по которому в p,v-; T,S-диаграммах располагаются политропы, выходящие из одной точки, рассмотрим графики частных процессов изменения состояния
Политропные процессы по особенностям превращения энергии можно разбить на 3 группы.
Первая группа: . Построим в p,v и T,S – диаграммах политропные процессы с предельными значениями показателя R данной группы. То
Сущность 2-го закона ТТД
Первым законом ТТД устанавливаются лишь количественные соотношения при взаимных превращениях теплоты и работы.
В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может пе
Термический КПД и холодильный коэффициент циклов
Исследование любого прямого цикла показывает, что для получения положительной работы необходимо к рабочему телу на некотором участке цикла подвести теплоту q1 от внешнего
Прямой и обратный циклы Карно
В 1824 французский инженер С. Карно предложил цикл идеального теплового двигателя, состоящий из двух изотерм и двух адиабат и представляющий собой замкнутый процесс, который
Математическое выражение второго закона ТТД
Для обратимого цикла Карно имеем ;откуда
Необратимые циклы
Термический КПД необратимого цикла меньше, чем термический КПД цикла Карно, т.е.
ηtннеоб<ηооб и
Объединенные уравнения 1-го и II-го законов термодинамики
Как известно, аналитически II закон ТТД выражается в следующем виде:
или
Изменение энтропии в необратимых термодинамических процессах изолированных систем
Рассмотрим принципиальное отличие необратимых процессов от обратимых на примере расширения газа в цилиндре под поршнем (рис 6.2), получающего теплоту
Производство работы. Полезная работа. Максимальная работа. Максимальная полезная работа
Если рабочее тело находится в состоянии, отличном от того, которое оно имеет при параметрах окружающей среды (т.е. система не находится в равновесии), то в принципе это раб. тело может произвести р
Понятие об эксергии. Уравнение Гюи-Стодолы
Термин «эксергия» в 1956г. ввел югославский ученый З.Рант и образован он из греческих корней «экс» - внешний и «эрг» - работа, действие.
Максимальную полезную работу (работоспособность) в
Уравнение состояния реального газа или уравнение Ван-дер-Ваальса
Одной из первых попыток в этой области была разработка голландского физика Н. Ван-дер-Ваальса в 1873 г. Это уравнение он получил на основе кинетической теории газов; учитывая объем самих молекул и
Приведенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Критические параметры вещества
Особенно интересно уравнение Ван-дер-Ваальса (9.1) тем, что оно качественно отображает главную особенность реальных газов – способность переходить при определенны
Гомогенные и гетерогенные термодинамические системы
Гомогенной называют такую систему, химический состав и физические свойства которой во всех ее частях одинаковы или изменяются непрерывно (без скачка) от одной точки системы к друго
Условия равновесия при фазовом переходе. Правило фаз Гиббса
Состояние равновесия – это такое состояние, к которому при данных внешних условиях стремится термодинамическая система.
Состояние устойчивого равновесия (стабильное состояние) характерно т
Парообразование и конденсация
Все газы явл. парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Водяной пар явл. реальным газом и широко используется в различных отраслях промышленности. Э
Основные параметры воды и водяного пара
Параметры состояния воды. Как указывалось ранее, удельный объём воды при 00С и различных давлениях одинаков и равен 0,001м3/кг,
При температурах насы
Основные термодинамические процессы водяного пара
В практике могут встретиться паровые процессы, которые протекают в области либо влажного насыщенного пара, либо в области перегретого пара, либо так, что одна часть процесса протекает в области вла
Изохорный процесс.
Изохоры на p,v –, T,S – и h,S – диаграммах представлены на рис. 12.1.
Изохорный процесс на р-v диаграмме (рис. 12.1.а) изображается отрезком вертикальной прямой 1-2, а на Т-S
Изобарный процесс.
На рис. 12.2. приведен изобарный процесс в p,v –, T,S – и h,S – диаграммах.
Как видно, на p,v – диаграмме (рис.12.2.а), изобара изображается горизонтальной прямой 1-2. В обла
Изотермический процесс.
Изотермический процесс в p,v – ; T,S – ; h,S – диаграмах изображен на рис. 12.3.:
Как видно в p,v – диаграмме (рис. 12.3а) изотерма в области влажного пара изображается отрез
Адиабатный процесс.
На рис. 12.4. приведен ади- абатный процесс в p,v – ; T,S – ; h,S – диаграмах.
Равновесный адиабатный процесс протека
Механическая связь сухого воздуха с водяным паром наз. влажным воздухом, или воздушно-паровой смесью.
Влажный воздух нужно рассматривать как разновидность газовой смеси. Это объясняется тем, что при атмосферном давлении в интервале температур, ограниченном снизу температурой обычно не ниже -50
Плотность, удельная газовая постоянная влажного воздуха.
Использовав обычное правило смеси, определим плотность влажного воздуха как сумму плотностей сухого воздуха
Теплоемкость и энтальпия влажного воздуха.
Изобарная теплоемкость влажного воздуха рассчитывается как сумма теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и d кг водяного пара, т.е.:
Уравнение первого закона термодинамики для потока
До сих пор мы рассматривали только системы, вещество в которых не перемещалось (как целое) в пространстве; однако следует подчеркнуть, что первый закон ТТД имеет общий характер и сп
Сопла и диффузоры
Сопла и диффузоры – специально спрофилированные каналы, предназначенные для ускорения или торможения потока. Техническая работа в них не совершается, поэтому при условии горизонталь
Истечение из суживающегоcя сопла
Скорость газа на входе в сопло обозначим через c1. Будем считать, что давление газа на выходе из сопла p2 равно давлению среды, в которую вытекает газ.
Расход газа при истечении из суживающегося сопла
Массовый расход газа m через сопло, обычно выражаемый в кг/с, определяется из соотношения: , (15.1)
Удельны объем
Максимальный расход газа через суживающееся сопло
Максимальный расход газа при критическом значении можно определить из уравнения (15.3), если в него подставить значение из (15.4)
Критическая скорость истечения
Критическая скорость устанавливается в устье сопла при истечении в окружающую среду с давлением, равным или ниже критического. Ее можно определить из уравнения (15.6), подставив в него вместо значе
Анализ профиля канала сопла
Основой для вывода общих закономерностей движения рабочего тела в соплах и диффузорах явл. уравнение неразрывности потока
m = F c / v = const , (15.8)
Дросселирование газов и паров
Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение, то вследствие сопротивлений, возникаю
Дифференциальный дроссельный эффект
Изменение температуры жидкостей и реальных газов при адиабатном дросселировании впервые было установлено опытами ученых Джоуля и Томсона в 1852 г. и называется эффектом Джоуля-Томсона.
Опы
Устройство и принцип работы поршневых компрессоров
Конструктивная схема одноступенчатого компрессора показана на рис. 19.1
рис19.
Термодинамический анализ идеального компрессора
Идеализация компрессора и его работы заключается в следующем:
- Геометрический объем цилиндра компрессора равен рабочему объему (отсутствует вредное пространство);
- Отсутствует т
Влияние характера процесса сжатия на величину работы, затрачиваемой на привод компрессора
При конструировании компрессора необходимо организовать цикл компрессора так, чтобы:
a) Работа, затрачиваемая в цикле на сжатие газа от давления
Действительная (реальная) индикаторная диаграмма компрессора
Действительная индикаторная диаграмма компрессора отличается от теоретической тем, что вследствие сопротивления, оказываемого впускным и нагнетательным клапанами проходящему газу, всасывание происх
I, II, III - ступени сжатия; 1, 2 - промежуточные холодильники
Рабочий процесс в р,v - и Т,S - диаграммах (для идеального компрессора) представленный на рис. 20.3
Действительный и идеальный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме. Цикл Отто
Индикаторные диаграммы цикла Отто представлены: действительная на рис. 21.3; идеальная p, v - диаграмма на рис. 21.4; T,S - диаграмма на рис. 21.5.
В качестве топлива в таких
Циклы ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл Дизеля
Степень сжатия e в цикле можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем в конце процесса сжатия вводить в цилиндр жидкое топливо (горючее).
Циклы Д.В.С. со смешанным подводом теплоты. Цикл Тринклера
Недостатком двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто является: наличие компрессора для распыления жидкого топлива, на работу которого расходуется 6-10% общей
мощности двигателя; сло
ЛЕКЦИЯ 23
23.1. Циклы реактивных двигателей
Реактивный двигатель представляет собой устройство, в котором химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую
Циклы ПВРД
ПВРД - это ВРД, в которых сжатие воздуха осуществляется только за счет скоростного напора. ПВРД могут применяться как для дозвуковых, так и для сверхзвуковых полетов.
Основным параметром П
Циклы пульсирующего ВРД
В пульсирующих ВРД со сгоранием топлива при u=соnst применяются обратные клапаны, которые устанавливаются на клапанной решетке 2 (рис.23.4) на входе в камеру сгорания 5.
Клапаны клапанной
Циклы ракетных двигателей
В РД используются ядерная, электрическая, тепловая и химическая энергии.
В настоящее время в РД наиболее широко используется химическая энергия топлива,
Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
ГТУ называются теплоэнергетические устройства, в которых рабочим телом служат газообразные продукты сгорания топлива (или другие газы, нагретые т
Реальные циклы ГТУ
Реальные циклы ГТУ отличаются от идеальных тем, что в действительных циклах учитываются неизбежные тепловые потери.
На рис. 25.5 показан реальный цикл ГТ
ЛЕКЦИЯ 26
26.1. Цикл ГТУ со сгоранием при р=const, с регенерацией теплоты и с иотермическим зжатием воздуха
Такой цикл изображен в Т,S диаграмме на рис.26.1при наличии регенерации т
Сравнение циклов ГТУ
Рис. 26.5
При равенстве ,
Паровой цикл Карно
Использование рабочего тела, изменяющего в течение цикла своё агрегатное состояние, позволяет осуществлять на практике цикл Карно.
В случае потока вещества технически наиболее просто осуще
Теоретический цикл ПТУ (цикл Ренкина)
Перечисленные выше недостатки, присущие паросиловой установке, в которой осуществляется цикл Карно на влажном паре, могут быть частично устранены, если отвод теплоты от влажного пара в конденсаторе
Цикл Ренкина с перегретым паром
Для того, чтобы увеличить термический к.п.д. цикла Ренкина, применяют так называемый перегрев пара в специальном элементе котла - пароперегревателе (рис.28.1), где пар нагревается д
А) Влияние начального давления пара
Анализируя цикл Ренкина рис. 28.3 для различных значений давления p1, при T1 = const и p2 = const, может сделать следующие выводы:
1. Чем выше давление p
Б) Влияние начальной температуры пара
Из рис. 28.4. видно, что η цикла Ренкина с ростом температуры перегрева пара при одном и том же давлении увеличивается, т.к. возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле.
В) Влияние конечного давления в конденсаторе
При постоянных значениях начальных параметров пара T1 = const и p1 = сonst уменьшение конечного давления в конденсаторе приводит к повышению η цикла, т.к. в этом случае в
Цикл с промежуточным перегревом пара
Прежде всего следует заметить, что цикл Ренкина в чистом виде при высоких, а тем более сверхвысоких начальных параметрах пара (10МПа) осуществить невозможно по той причине, что влаж
Циклы холодильных установок и термотрансформаторов
Охлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды и поддержание их в охлажденном состоянии в течение длительного времени составляют основную задачу холодильной техники. Для многих про
Цикл воздушной холодильной установки
Воздушная холодильная установка была одним из первых типов холодильных установок, применяемых на практике.
На рис. 29.1 приведена принципиальная схема воздушной холодильной машины (ВХМ).
Цикл парокомпрессорной холодильной установки
Более выгодны и удобны по сравнению с воздушными паровые компрессорные холодильные установки, позволяющие в области насыщенного пара осуществить изотермический отвод и подвод теплоты, отбираемой у
Абсорбционные холодильные машины
Основным преимуществом абсорбционных холодильных установок (АХУ) по сравнению с компрессорными явл. использование для выработки холода не электрической а тепловой энергии низкого и среднего потенци
Новости и инфо для студентов