Российская Академия Наук Дагестанский Научный Центр Сборник научных трудов по термодинамическим циклам Ибадуллаева
Скачать 2.17 Mb.
|
Отвод теплоты. Интересная особенность толкования теорией ДВС разомкнутых термодинамических циклов касается вопроса о том, что: «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 холодному источнику». (Д.Н.Вырубов. стр. 7). Вот классическое определение теоретического цикла с подводом теплоты по V=const: теоретический цикл теплового двигателя с подводом теплоты по изохоре и отводом теплоты по изохоре и с адиабатными процессами сжатия и расширения. Указанное положение теории ДВС является принципиально ошибочным, ибо удаление выпускных газов никакого отношения к процессу отвода теплоты от рабочего тела холодному источнику не имеет. Это подтверждается следующим: 1. Согласно второму закону термодинамики холодному источнику отводится теплота, которая была использована термодинамической системой как «плата» или «компенсация» за преобразование теплоты в работу. Т.е., отводимая холодному источнику теплота Q2 , для превращения ее в работу в данной системе принципиально не может быть использована. В то же время, в ДВС энергия удаляемых газов может быть использована для получения работы. Это делается путем продолжения расширения в газовой турбине, или лопаточной части комбинированного двигателя. Это означает, что, по меньшей мере, часть энергии, заключенная в удаляемых выпускных газах, не является термодинамической теплотой компенсирующей работу цикла. 2. Чем большее количество работы совершается за цикл, тем большее количество теплоты расходуется на компенсацию. Если в ДВС удаляемые выпускные газы содержат в себе теплоту, отводимую холодному источнику, то по мере увеличения количества работы совершаемой циклом, температура выпускных газов должна увеличиваться, а не уменьшаться. Количество выполняемой циклом работы может быть увеличено за счет увеличения степени сжатия. Но при увеличении степени сжатия температура удаляемых выпускных газов уменьшается, а не растет. Так, в бензиновом ДВС (Та=3500К, k=1,35) со степенью сжатия ε.=5, температура Т2 завершения процесса расширения составила бы Тb=17690К. В аналогичном двигателе со степенью сжатия ε.=50 температура Тb завершения процесса расширения при тех же значениях Та и k составит Тb=9860К. Из изложенного следует, что величина термического КПД системы может быть увеличена за счет уменьшения количества внутренней энергии выпускных газов. 3. В гипотетическом ДВС со степенью сжатия ε.=5, работающем по циклу Карно, температура завершения процесса адиабатического расширения (при а=1) составила бы Т2=17690К. Процесс отвода теплоты Q2 холодному источнику начинается и завершается при указанной температуре (Т=const). Т.е. к отводу теплоты в количестве Q2 внутренняя энергия рабочего тела при температуре Т2 даже микроскопической своей частью никакого отношения не имеет. В виде теплоты компенсации система отдает только ту энергию, которая сообщается рабочему телу работой изотермического сжатия. Т.е. в гипотетическом двигателе, работающем по круговому замкнутому циклу Карно, теплотой компенсации Q2 является работа изотермического сжатия (за минусом энергии, которая расходуется на увеличение давления). Термодинамика объясняет данную ситуацию следующим образом: При изотермических процессах работа совершается не за счет убыли внутренней энергии U (как это имеет место при адиабатических процессах), а за счет свободной энергии F. Связанная энергия TS (в данном случае внутренняя энергия рабочего тела при температуре Т2) никакого отношения ни к совершению работы, ни к отводу теплоты холодному источнику не имеет. Если можно так выразиться, связанная энергия TS есть «термодинамическая площадка», на которой свободная энергия F превращается в работу и теплоту компенсации. Но у данного вопроса есть еще одна особенность: «Значение tк возрастает при расширении пределов температур, причем легко показать, что это возрастание значительнее при уменьшении Т2, чем при увеличении Т1» (Теплотехника, стр 50). Это означает следующее: 1. Термодинамический потенциал любого рабочего тела используемого в тепловых машинах ограничен, т.е не возможно передать рабочему телу количество теплоты больше чем Q. 2. Чем большее количество связанной энергии TS рабочее тело содержит, тем меньшее количество свободной энергии F (соответственно теплоты Q) ему можно сообщить. 3. Идеальные замкнутые циклы являются не эффективными, ибо высокие значения количества связанной энергии делает их термодинамический потенциал низким. Удаление из термодинамической системы рабочего тела со связанной энергией TS превращает цикл в разомкнутый. Это позволяет за счет маленького количества связанной энергии содержащегося в свежем (обновленном) рабочем теле, значительно увеличить термодинамический потенциал системы и соответственно увеличить количество работы цикла. Причем увеличение термодинамического потенциала идеального цикла никоим образом не отражается на его КПД. 4. Согласно соотношению 1/εk-1 при бесконечно большой степени сжатия ε→∞ температура выпускаемых газов будет равна температуре начала сжатия, т.е. Тb→≈Та. Это означает, что удаляемые из цилиндра газы не содержат в себе даже ничтожно малую часть теплоты, которая уходит на компенсацию холодному источнику. Таким образом, удаление рабочего тела из термодинамической системы теоретически никакого отношения к отводу теплоты холодному источнику не имеет. Это означает, что в теоретических циклах внутренняя энергия удаляемого рабочего тела в разнице температур Тb-Та относится к свободной энергии и является источником повышения эффективности ДВС. Соотношение 1/εk-1 показывает, что по мере увеличения степени сжатия температура Тb конца адиабатического расширения уменьшается. Выражение εk-1 показывает, что по мере увеличения степени сжатия температура Тс конца адиабатического сжатия увеличивается. Выражение εk показывает, что по мере увеличения степени сжатия растет и давление конца сжатия Рс. Это позволяет сделать следующие выводы: 1. В действительных циклах понятия «адиабатическое сжатие» и «адиабатическое расширение» носят условный характер, т.к. рабочее тело обменивается теплотой с внутренней поверхностью цилиндра. Интенсивность этого теплообмена по мере увеличения степени сжатия согласно выражению εk-1 будет возрастать. Поэтому в действительных циклах потери теплоты в стенки цилиндра, происходящие в период изменения температуры от величины Та до величины Тс и от величины Тс до величины Тb (Та→Тс→Тb) , являются потерями теплоты на компенсацию. Потери теплоты в стенки, которые обуславливаются разницей интервала температур Тс→Тz→Тс не являются потерями теплоты на компенсацию и их можно превратить в работу. 2. Увеличение степени сжатия влечет за собой увеличение давления сжатия, что приводит к увеличению механических потерь. Механические (тепловые) потери, которые обуславливаются изменением давления рабочего тела в интервале Ра→Рс→Рb также являются потерей теплоты на компенсацию. Механические потери, вызываемые изменением давления рабочего тела в интервале давлений Рс→Рz→Рс, не являются потерями теплоты на компенсацию и их тоже можно превратить в работу. Таким образом, изложенное позволяет сделать вывод: В действительных циклах количество потерь теплоты (теплоты компенсации) будет иметь идеальное значение в том случае, если максимальная температура цикла будет равна температуре конца сжатия (Тz=Тс), а максимальное давление цикла будет равно давлению конца сжатия (Рz=Рс) . Попытаемся теперь с позиций теории рабочих процессов решить вопрос о том, чем воображаемая работа идеального двигателя (и соответственно формулы расчета) отличается от работы реального двигателя. «...способ передачи энергии, связанный с изменением внешних параметров, называется работой».( И.П. Базаров, стр. 23). Способ же передачи энергии, без изменения внешних параметров, называется вводом или отводом теплоты, а сам процесс- теплообменом. Т.е. теплообмен не связанный с изменением внешних параметров рабочего тела является процессом изменения его внутренней энергии без совершения работы. В цикле Карно вся передаваемая потребителю работа гипотетического ДВС совершается по изотерме согласно правилу Т=const. В цикле ДВС с Р=const часть работы совершается по изобаре при подводе теплоты рабочему телу при постоянном давлении. В цикле ДВС с V=const при подводе теплоты рабочему телу по изохоре, т.е. при постоянном объеме никакая работа не совершается! При рассмотрении идеальных циклов указанный фактор не имеет никакого значения. Но в действительных циклах он становится главным фактором, определяющим и КПД и эффективность. Поскольку теоретические циклы являются прототипами действительных циклов, влияние этого фактора должно анализироваться и на уровне теоретических циклов. В теоретическом цикле с V=const процесс подвода теплоты полностью отделен от процесса совершения работы. Т.е. ввод теплоты и совершение работы это- два следующих друг за другом последовательных этапа. Сначала вводится только теплота. Потом совершается только работа. Вопрос об эффективности преобразования внутренней энергии рабочего тела в работу может возникнуть только тогда, когда термодинамическая система переходит к изменению внутренней энергии рабочего тела через изменение его объема. Если объем не изменился, значит, работа не была совершена. Если изменился, значит-совершена. Выражение εk-1 показывает теоретически возможный и при том наилучший (идеальный) вариант развития такого процесса. В реальном двигателе такими вариантами развития процесса могут быть только процессы, совершаемые при приближенных к Т=const (изотермный процесс), или при dq=0 (адиабатный процесс) условиях. Поскольку с началом подвода теплоты адиабатный процесс преобразуется в процесс другого вида, термический КПД с использованием только соотношения 1/εk-1 (или Q2/Q=Т2/Т1) может рассчитываться только для идеального цикла. Что же касается теоретических циклов ДВС, обязательными признаками, характеризующими их КПД и эффективность, должны быть величины изменения показателя внешнего параметра (объема) и внутренних параметров (давления и температуры). (Комментарий: Обязательными условиями идеальных циклов являются закон о неизбежности (компенсации) отдачи части теплоты теплоприемнику и правило об отсутствии теплообмена с окружающей средой. Т.е. в идеальном цикле одна часть теплоты должна быть превращена в работу, а другая часть должна быть отдана холодному источнику. Других способов использования теплоты не предусмотрено. В рабочих циклах ДВС процессы сжатия и расширения фактически являются политропическими. Потери теплоты в них происходят и при сжатии и при расширении. При этом наибольшее количество теплоты теряется с выпускаемыми из цилиндра газами, в систему охлаждения и механические потери. Потери в систему охлаждения зависят от удельной площади охлаждения, в которой важнейшее значение имеет величина диапазона температур Тz→Тb. При процессах, совершаемых в условиях приближенных к Т=const, максимальная температура цикла примерно будет равна давлению конца сжатия: Тz≈Тс, а максимальное давление цикла, являющееся главной причиной механических потерь примерно равно: Рz≈Рс Дополнительное увеличение температуры цикла выше величины Тс за счет вводимой теплоты (допустим, при процессах V=const и Р=const) будет означать увеличение потерь в систему охлаждения. Дополнительное увеличение давления цикла выше величины Рс, будет означать увеличение механических потерь). Рассмотрим, какое значение с позиций теории рабочих процессов имеет то, каким образом в ДВС протекают процессы подвода теплоты и совершения работы. В теоретическом цикле ДВС с изотермическим подводом теплоты внутренняя энергия рабочего тела в начале расширения характеризуется параметрами: Т1=Тс, Р1=Рс, V1=Vс. Внутренняя энергия рабочего тела в момент завершения изотермического расширения будет характеризоваться параметрами: Т1=Тс, Р2<Р1, V2>V1. При этом Р1∙V1=Р2∙V2, т.е. внутренняя энергия рабочего тела в сумме ее составляющих не изменилась, т.к. вся подведенная теплота превратилась в работу. Если перенести это правило на рабочий цикл поршневого двигателя, необходимо обеспечить, чтобы продолжительность сгорания горючей смеси (допустим, используя многостадийный впрыск) соответствовала скорости преобразования теплоты в работу. На примере это должно выглядеть следующим образом: Допустим, в двигателе подача топлива происходит за промежуток времени равный 600 ПКВ. Для облегчения условий задачи делаем допущение, что на указанном участке поршень движется равномерно с одинаковой скоростью. Делим участок на 60 равных частей. За весь этот отрезок расширения температура- Т1 останется неизменной, объем V1 увеличится до V60, давление Р1 уменьшится до Р60. Количество топлива также делится на 60 равных порций. На участке равном одному градусу в цилиндр впрыскивается 1/60 часть QТ. Каждая порция топлива Q/60 при впрыске тут же расходуется на увеличение (компенсацию) внутренней энергии рабочего тела, т.к. в этот же промежуток времени температура Т1 и давление Р1 вследствие расширения и совершения работы стремятся к уменьшению. Т.е. теоретически в цикле с изотермическим подводом теплоты рабочее тело выступает в роли некоего нейтрального посредника, который принимает в себя некоторое количество теплоты от одного источника и в то же мгновение отдает от себя пользователю равнозначное количество работы. В виду этого при завершении подвода теплоты внутренняя энергия рабочего тела остается прежней, но изменились ее составляющие: насколько увеличилась составляющая объема, настолько уменьшилась составляющая давления. Если бы наш гипотетический двигатель заработал по рассмотренному циклу, потери теплоты в стенки и на механические потери были бы минимальными из всех математически возможных вариантов, т.к. с позиций теплоотвода в стенки величина температуры Т1, а с позиции уменьшения механических потерь диапазон давлений Р1→Р60 являются теоретически минимальными. |
Похожие:
 | Язык. Речь. Речевая деятельность: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск седьмой. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный... | | Наука и молодежь: сборник научных трудов студентов и молодых ученых. Вып / Редколлегия: Роговая В. Г., Горин Н. И. – Курган: Курганский... |
| Наука и молодежь: сборник научных трудов студентов и молодых ученых. Вып / Редколлегия: Роговая В. Г., Горин Н. И. – Курган: Курганский... | | Российский гуманитарный научный фонд (ргнф) и Академия наук Молдовы (анм) в соответствии с заключенным между ними соглашением о сотрудничестве... |
| «О реализации в 2006-2008 годах пилотного проекта совершенствования системы оплаты труда научных работников и руководителей научных... | | Л. П. Бондаренко, канд филол наук, профессор; Л. Е. Корнилова, старший преподаватель; Н. С. Морева, канд филол наук, профессор, М.... |
| Музыка и молодежь: теоретические и практические аспекты: сборник научных статей. Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2011.... |  | Российская академия наук Российская академия образования Издательство «Проевещепте» |
| П50 Политические проблемы современного общества: Сборник научных статей кафедры политических наук Национального исследовательского... | | Российский гуманитарный научный фонд (ргнф) и Национальная академия наук Украины (нан украины) в соответствии с заключенным между... |