Раздел 3. Второй закон термодинамики

Формулировки второго закона термодинамики. Понятие термодинамического цикла. Циклы обратимые, прямые и обратные.

Термический коэффициент полезного действия прямого цикла.

Энтропия как функция экстенсивного состояния рабочего тела или системы и его параметр. Уравнение второго закона термодинамики.

Изоэнтропийные термодинамические процессы. Изображение основных термодинамических процессов в TS- диаграмме.

Цикл Карно, термический коэффициент полезного действия прямого обратимого цикла Карно. Изображение цикла Карно в Pv и TS- диаграммах.

Методические указания

Совокупность процессов, в которых последний возвращает рабочее тело в первоначальное (исходное) состояние называется циклом. Прямые циклы осуществляются в тепловых двигателях, обратные в холодильных машинах.

Для оценки эффективности прямых термодинамических циклов используют термический коэффициент полезного действия.

При изучении закономерностей преобразования теплоты в механическую работу важным параметром состояния рабочего тела является энтропия, характеризующая наличие теплового взаимодействия термодинамической системы и окружающей среды. При подводе теплоты в равновесном процессе энтропия рабочего тела или системы увеличивается, при отводе теплоты – уменьшается. Все основные термодинамические процессы могут быть изображены в TS - диаграмме, эти изображения отличаются от их изображений в Pv- диаграмме.

Важным для понимания термодинамических процессов является теоретический цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Для прямого обратимого цикла Карно термический коэффициент полезного действия зависит только от температур горячего и холодного источников и не зависит от свойств рабочего тела, если таковым является идеальный газ. Теоретические циклы являются комбинацией различных термодинамических процессов.

Литература [1,2,3,4,5 ]

Раздел 4. Теоретические циклы тепловых двигателей

Классификация двигателей внутреннего сгорания по типу термодинамического цикла.

Цикл с подводом теплоты при постоянном объёме (цикл Отто). Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля). Смешанный цикл ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты (цикл Тринклера).

Сравнение эффективности работы ДВС при различных способах подвода теплоты.

Методические указания

Так как в термодинамике исследуются только идеальные обратимые циклы, то для исследования цикла двигателя внутреннего сгорания принимаются

следующие допущения: рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоёмкостью; количество рабочего тела в цикле постоянно; между рабочим телом и источником теплоты имеет место бесконечно малая разность температур; подвод тепла к рабочему телу происходит не от сжигания топлива, а от внешнего источника теплоты. То же самое справедливо и для отвода тепла. Следует понимать, что принятые допущения позволяют изучать идеальные термодинамические циклы ДВС, что в свою очередь позволяет сравнивать различные циклы двигателей и определять факторы, влияющие на их эффективность.

Следует изучить теоретические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания: цикл с подводом тепла при постоянном объёме, или цикл Отто, являющийся теоретическим циклом ДВС и низкой степенью сжатия; цикл с подводом тепла при постоянном давлении, или цикл Дизеля, являющийся теоретическим циклом ДВС с высокой степенью сжатия, работающих на тяжелом топливе; смешанный цикл (цикл Тринклера), являющийся теоретическим циклом бескомпрессорных дизелей с высокой степенью сжатия.

При изучении материалов данного раздела необходимо рассматривать схемы тепловых двигателей, акцентируя внимание на параметры, характеризующие циклы, и прежде всего экономические показатели эффективности работы двигателей внутреннего сгорания.

Основными параметрами термодинамических циклов поршневых ДВС являются: степень сжатия, давление конца сжатия, степень повышения давления в цилиндре двигателя, степень предварительного расширения и другие.

В результате изучения данного раздела студенту необходимо освоить различия между основными циклами, уяснить преимущества и недостатки каждого цикла.

Термический КПД цикла Отта возрастает с увеличением степени сжатия рабочего тела. Практически повышение степени сжатия ограничивается в ДВС температурой самовоспламенения сжимаемой в цилиндре рабочей смеси, что в свою очередь ограничивает КПД и мощность этих двигателей. В за-висимости от рода топлива степень сжатия в таких двигателях находится в пределах от 4 до 8. По циклу Отта работают двигатели с внешним смесеобразованием (бензиновые, газовые) и принудительным воспламенением смеси от электрической искры в определённый момент цикла.

Двигатели, работающие по циклу Дизеля, имеют ряд преимуществ. Это прежде всего высокая степень сжатия (до 20). Это достигается раздельным сжатием воздуха в цилиндре с высокой степенью сжатия и сжатием топлива в отдельном устройстве. Воздух при высоких давлениях имеет настолько высокую температуру в конце процесса сжатия, что подаваемое в цилиндр топливо самовоспламеняется. Такой способ образования топливной смеси в двигателях Дизеля называется внутренним смесеобразованием. Кроме того, раздельное сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое топливо – нефть, мазут, смолы, даже растительные масла и другие виды топлива. Сгорание топлива происходит условно постепенно, это обеспечивает более высокий термический КПД, по сравнению с двигателем Отта при одинаковых значениях температур и давлений, из-за значительного увеличения степени сжатия. Из анализа диаграммы цикла следует, что термический КПД цикла уменьшается с повышением степени предварительного расширения.

Недостатки цикла Дизеля были учтены русским инженером Тринклером. Он разработал проект бескомпрессорного двигателя высокого сжатия. Основное отличие двигателя Тринклера в том, что жидкое топливо с помощью ТНВД подается в через форсунку в головку цилиндра, где оно воспламеняется и горит вначале при постоянном объёме, а потом горит при постоянном давлении. Преимуществом этого цикла является отсутствие воздушного компрессора, применяемого для подачи топлива. Наличие компрессора усложняет конструкцию и снижает экономичность двигателя, так как на его работу затрачивается до 10% от общей мощности двигателя. Анализируя диаграмму цикла Тринклера заключаем, что этот двигатель лишен недостатков двух вышеназванных: он имеет высокую степень сжатия и не имеет компрессора для подачи топлива. Кроме того при одинаковой степени сжатия с двигателем Дизеля у двигателя Тринклера более высокий КПД цикла. В настоящее время этот цикл является основным для работы большинства двигателей внутреннего сгорания.

Литература [1,2,3,4,5]