Замкнутый и разомкнутые термодинамические циклы.

 

Термодинамические циклы это термодинамические круговые процессы преобразования теплоты в механическую работу. Наиболее полный и подробный анализ термодинамических циклов дается Д.Н.Вырубовым.

(«Теплотехника», стр. 347).

 

«Рассмотрение любого термодинамического цикла двигателей внутреннего сгорания основывается на следующих допущениях:

1. Цикл протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела (газа), в результате чего исключаются из рассмотрения как потери рабочего тела вследствие утечек его через неплотности, так и потери энергии, возникающие при поступлении свежего заряда в двигатель и удалении из него выпускных газов. При этом процесс удаления выпускных газов заменяется фиктивным процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику (выделено мной).

2. Химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла. Этим условием исключается из рассмотрения процесс сгорания, который заменяется фиктивным процессом подвода теплоты к рабочему телу от внешнего горячего источника, и, следовательно, не учитываются тепловые потери, возникающие в действительном цикле при сгорании топлива в двигателе.

3. Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой. При этом условии не рассматриваются те тепловые потери, которые возникают в действительном цикле во время процессов сжатия и расширения.

Принятые допущения облегчают рассмотрение термодинамического цикла вследствие более простых аналитических соотношений, что позволяет выделить влияние тех факторов, которые определяют экономичность и эффективность цикла. Вместе с тем отсутствие учета потерь приводит к тому, что расчетные показатели термодинамического цикла получаются более высокими, чем в реальных двигателях. Значение же анализа этих циклов заключается в том, что его результаты позволяют выяснить влияние основных термодинамических факторов на совершенство преобразования теплоты в механическую энергию и сравнить различные циклы по показателям их экономичности и эффективности.

Термодинамические циклы, как прототипы действительных циклов, протекающих в двигателях внутреннего сгорания, различаются между собой по условиям сообщения теплоты рабочему телу и отдачи ее холодному источнику. Теплота может подводиться и отводиться на одном или нескольких участках цикла, причем подвод теплоты к рабочему телу и отдача ее холодному источнику могут происходить как с изменением, так и без изменения объема рабочего тела.

Экономичность термодинамического цикла характеризуется термическим КПД, представляющим собой отношение количества теплоты превращенной в работу, к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу. Наряду с экономичностью цикла такой же важной характеристикой является его эффективность, определяемая удельной работой цикла, т.е. работой, приходящейся на единицу разности максимального и минимального объемов рабочего тела при совершении им цикла.

Условия получения максимальной экономичности и максимальной эффективности могут не совпадать. Из курса термодинамики известно, что наивыгоднейшим по экономичности является цикл с изотермическим подводом и отводом теплоты. Однако практически осуществлять такой цикл в двигателе внутреннего сгорания нецелесообразно, т.к. удельная работа этого цикла в реальных пределах изменения состояния рабочего тела весьма мала. В некоторых случаях выбор цикла может определяться условием получения не наибольшей экономичности, а наибольшей удельной работы.

К основным выводам, сделанным в результате анализа термодинамических циклов, могут быть отнесены следующие:

1. Расширение пределов изменения объема рабочего тела при осуществлении цикла (увеличение степени сжатия, продолженное расширение и пр.) обеспечивает увеличение термического КПД, но осуществление продолженного расширения в поршневом двигателе приводит к уменьшению удельной работы (среднего давления цикла).

2. Экономичность нормального цикла со смешанным подводом теплоты возрастает по мере увеличения доли теплоты, подводимой при постоянном объеме, и уменьшения доли теплоты, подводимой при постоянном давлении». (Выделено мной, стр.7-20 Д.Н. Вырубов).

«Однако степень сжатия в бензиновых ДВС ограничивается во избежание взрывного сгорания (детонации)». («Теплотехника», стр.86).

«Теоретический цикл двигателей с сообщением тепла при постоянном давлении. Топливо впрыскивается в конце сжатия (несколько ранее точки с) через форсунку, мелко распыливается и, приходя в соприкосновение с сильно нагретым воздухом, начинает гореть (линия с сz). Ввиду постепенной подачи топлива через форсунку нельзя ожидать резкого повышения давления при сгорании, как в цикле с сообщением тепла в V=const, где все топливо перед сгоранием находится в цилиндре. В двигателях, работающих по циклу с сообщением тепла при р = const, топливо горит постепенно по мере его поступления в цилиндр, в результате чего процесс сгорания происходит при перемещающемся поршне и почти постоянном давлении.

По этому циклу работают стационарные и судовые компрессорные двигатели с воспламенением от сжатия или компрессорные дизели». (И.М.Ленин. т.1. стр. 19-20).

«В ДВС с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием рабочей смеси около ВМТ время сгорания топлива (бензина) очень мало, поэтому можно принять, что процесс подвода теплоты осуществляется при постоянном объеме. В этом цикле ρ;=1» («Теплотехника», стр.85).

(И.М.Ленин. т.1, стр.20).

 

По нашей классификации классическая термодинамика на данный момент знает 1 идеальный цикл с подводом теплоты по процессу V=const (или Стирлинга). Термодинамических разомкнутых циклов существенно больше. Ошибки анализа и расчета происходят при переходе от идеального цикла к термодинамическим разомкнутым и затем при переходе от термодинамических к теоретическим циклам. Поэтому начнем анализ с того, как теория трактует идеальный и термодинамические циклы и к чему это приводит.

Начнем с моментов, которые в приведенных цитатах нами выделены курсивом: