Российская Академия Наук Дагестанский Научный Центр Сборник научных трудов по термодинамическим циклам Ибадуллаева

Комментарий: «Являясь наибольшим в определенном интервале температур Т1 ...Т2, КПД цикла Карно tк все же меньше единицы из-за отвода части теплоты теплоприемнику, что принципиально неустранимо и обусловлено самим круговым процессом. ... при изотермическом расширении газа происходит превращение в работу всей подведенной к рабочему телу теплоты. Но такой процесс не может обеспечить непрерывного превращения: расширение прекратится, как только давление по обе стороны поршня уравняется. Непрерывное и долгое преобразование теплоты в работу возможно только при изменении состояния рабочего тела в круговых процессах, но при этом, как мы убедились, неизбежна отдача части теплоты теплоприемнику». (Теплотехника, стр.51, выделено мной). Смысл утверждения: «при изотермическом расширении газа происходит превращение в работу всей подведенной к рабочему телу теплоты» фактически противоречит утверждению, что КПД цикла Карно меньше 1. В таком случае: 1) Если вся подведенная теплота превращается в работу, то КПД цикла равняется только 1 или 100%. С этим невозможно спорить. 2) Если вся подведенная теплота превращается в работу, то откуда берется теплота Q2, которая неизбежно (второй закон термодинамики) должна быть отведена холодному источнику? Чтобы вопрос был более понятен, предлагается рассмотреть рисунок и пояснения к нему. Р Q=Q1+Q2 Р1 а Q1=L А Т1 L L1 L2 L2 в d L1 Т2 Р3 c Q2 Рис 2 V 1. Условия работы гипотетического двигателя Карно: Чтобы привести в действие, термодинамической системе Карно необходимо сообщить энергию в виде работы сжатия, которая создает давление Р1 и температуру Т1. Далее система совершает работу за счет давления. При совершении работы давление Р1 (вследствие расширения) и температура Т1 (вследствие охлаждения) будут стремиться к уменьшению. В замкнутом расширяющемся сосуде давление создается температурой. Вводимая теплота полностью компенсирует уменьшение температуры и тем самым частично компенсирует уменьшение давления. Поэтому, если рассматривать процесс ввода теплоты и совершения работы не в целом, а конкретный механизм использования теплоты в каждой точке процесса, то окажется, что работа, совершаемая системой на изотермическом участке ав, складывается из двух составляющих: 1. Работы сжатия L1 введенной в систему при сжатии рабочего тела на участках cd. 2. Работы L получаемой в результате преобразования вводимой теплоты в количестве Q1 в давление (через температуру). В сумме два вида этих работ эквивалентны вводимой теплоте Q. Что касается вводимой теплоты Q, то: 1. Часть вводимой теплоты Q1 расходуется на совершение работы. 2. Вторая часть теплоты Q2 безвозвратно (что принципиально неустранимо) расходуется на компенсацию температуры рабочего тела. Если изотермическое расширение продолжится до выравнивания давлений Рb=Ра, при завершении процесса внутренняя энергия рабочего тела будет состоять только из температуры Т1, заключенной в объеме V60 при давлении Р60=Ра и рабочее тело больше не способно совершать работу. Для того, чтобы повторить цикл необходимо обновить состояние рабочего тела, т.е. отвести от него теплоту до достижения температуры Т2. Отведенная теплота Q2 будет равна количеству теплоты, израсходованной на компенсацию температуры рабочего тела при совершении работы. 2. Тепловой баланс цикла Карно: На участках cd и dа совершается работа сжатия в результате чего в точке а внутренняя энергия рабочего тела равна сумме работ L1+L2 при температуре Т1. На участке ав в рабочее тело вводится теплота в количестве Q. В точке в количество всей сообщенной рабочему телу энергии равно Q+L1+L2. На участке ав одновременно извлекается и передается потребителю работа L эквивалентная количеству теплоты Q1. Одновременно с этим в аккумулятор системы А (допустим маховику) передается количество работы L1. При этом Q=L+L1. На участке вс совершается адиабатическое расширение и в аккумулятор системы А передается работа расширения L2. Температура рабочего тела в результате адиабатического расширения уменьшается от величины Т1 до величины Т2. На участке сd за счет работы L1, получаемой из аккумулятора А совершается изотермическое сжатие рабочего тела при температуре Т2. От рабочего тела отводится теплота в количестве Q2. На участке dа за счет получаемой из аккумулятора А работы L2 совершается работа адиабатического сжатия. Температура рабочего тела поднимается от величины Т2 до величины Т1. Таким образом, в результате совершения цикла система выдает потребителю работу L эквивалентную теплоте Q1, от системы отводится теплота Q2. Поэтому единственным фактором влияющим на КПД цикла (т.е. на количество работы L цикла) является отношение величины отведенной теплоты Q2 к величине подведенной к рабочему телу теплоты Q, или разница температур Т1 и Т2, или количество работы сжатия, которая создает эту разницу температур. В идеальном цикле с подводом теплоты при V=const внутренняя энергия рабочего тела на начало расширения характеризуется параметрами: Тz, Рz, Vmin. Внутренняя энергия рабочего тела после совершения работы характеризуется параметрами Тb, Рb, Vmax. Т.е. энтропия начала и конца расширения равна разнице Q-Q2. Чтобы действительный цикл с V=const гипотетического двигателя имел наименьшие показатели удельных расходов топлива на совершение единицы работы с позиций теории рабочих процессов необходимо: 1. Или растянуть процесс впрыскивания топлива на соответствующий отрезок изотермического расширения. В этом случае он превращается в процесс с Т=const. 2. Или увеличить скорость расширения до момента равнозначного времени ввода теплоты, т.е. расширение тоже должно стать мгновенным. 3. Или же потери теплоты в систему охлаждения и механические потери в период совершения работы должны быть соответствующими температуре Тс, изменяющейся плотности рабочего тела Рс→Рb, а не Тz и Рz→Рb. Т.е. и в этом случае он снова превращается в цикл сТ=const. Что же фактически происходит в рабочих циклах двигателей, которые работают по циклу с V=const? Явление сгорания горючей смеси, как процесса происходящего во времени, в рабочем цикле бензинового двигателя состоит из двух совершенно разных по своей сути составляющих: 1. Физическая- время вовлечения смеси в зону горения, т.е. распространение фронта пламени по камере сгорания. 2. Химическая- время выделения скрытой химической энергии топлива, т.е. скорость тепловыделения. По времени указанные процессы по данным Д.Д. Брозе (стр.228-229) в двигателе с ε=11 при скорости распространения фронта пламени 50 м/сек соотносятся, как 10:1. При увеличении степени сжатия скорость химической реакции становится еще больше. Общая продолжительность периода активного тепловыделения всеми источниками считается от 15-120 до ВМТ и 12-150 после ВМТ. «Скорость распространения пламени при сгорании стехиометрических бензино-воздушных смесей составляет 20-40 м/сек, при этом продолжительность основной стадии процесса сгорания соответствует повороту коленчатого вала на 40-50 градусов. (Д.Н.Вырубов, стр. 139) Т.е. в период времени равный, примерно, 300 ПКВ вместо того, чтобы совершать работу поршень стоит на месте, а мы интенсивно «вводим» теплоту в стенки. Если же учесть, что весь процесс видимого сгорания от начала распространения пламени по фронту до начала периода догорания, занимает, примерно, 600 ПКВ, то получается, что в первую половину времени протекания процесса мы производим только «ввод» теплоты в стенки, а во второй части процесса совершаем работу и одновременно отдаем теплоту в стенки. Т.е. если в цикле Т=const величины температуры Тс и давления Рс для теплоотвода в стенки являются теоретически минимальными, то в действительном цикле с подводом теплоты при V=const мы получаем теоретически максимальные величины температуры Тz и давления Рz при неподвижном или малоподвижном поршне. Поэтому с позиций потерь теплоты в стенки указанный цикл является противоположностью цикла с Т=const и является самым худшим из всех действительных циклов ДВС. Из проведенного анализа следует, что действительный цикл с подводом теплоты при V=const может быть выгоден при условии хотя бы относительного равенства времени сгорания смеси и времени расширения. Таковыми могут быть реактивные двигатели, где практически мгновенное расширение рабочего тела не оказывает существенных динамических нагрузок на детали двигателя, а удельные потери теплоты в систему охлаждения минимальны. Таким образом, изложенное можно подытожить следующим образом: 1. Как идеальный термодинамический цикл-цикл подвода теплоты к рабочему телу при V=const равен циклу Карно. 2. В поршневых ДВС действительный цикл со сгоранием основного количества смеси в зоне ВМТ будет иметь наименьший КПД по сравнению с любым другим циклом. В теории ДВС делается еще одно утверждение, которое вносит серьезнейшую путаницу в правильное понимание характера происходящих процессов. Это утверждение о том, что якобы время сгорания смеси в двигателях с внешним смесеобразованием очень мало. В теоретическом цикле, как и в идеальном, принимается допущение о том, что теплота вводится по изохоре. Для выяснения этого вопроса рассмотрим еще 3 вопроса: 1. Что такое по законам тепловой теории подвод теплоты при V=const? 2. Какими видами (или формами) протекания химической реакции окисления горючей смеси тепловая теория располагает? 3. Соответствует ли с позиций тепловой теории вид процесса V=const теоретического цикла ДВС, тому допущению, которое принято для идеального цикла с V=const? Д.Д. Брозе считает (стр. 7-35), что существует 3 вида сгорания горючей смеси: 1. Быстрый взрыв (детонационное сгорание). 2) Медленный взрыв (сгорание турбулизированной смеси), 3) Диффузионное сгорание. Такое деление представляется искусственным и неправильным. Распространение фронта пламени по смеси относится к физической стороне явления. Сгорание же, как процесс окисления, есть реакция химическая. При рассмотрении скорости сгорания мы имеем дело с химической составляющей. Поэтому сгорание горючей смеси, как химическая реакция, может протекать или быстро в виде взрыва (детонационное сгорание) или постепенно путем молекулярной и молярной (объемной или турбулентной) диффузии компонентов. С позиций тепловой теории допущение о мгновенном выделении теплоты означает, что происходит тепловой взрыв. Существует много устройств, в которых используется способ мгновенного выделения теплоты в замкнутом сосуде с неизменным объемом. Это бомбы, снаряды, мины, гранаты и другие оболочечные взрывные устройства. Из двух известных тепловой теории форм (или видов) протекания реакции сгорания теория ДВС для цикла с V=const выбирает первый, т.е. взрывной. Хотя процесс сгорания, занимающий не менее 1/3 (600/1800=0,33) времени совершения такта расширения никакими допущениями невозможно превратить в мгновенный. Но, тем не менее, это так. «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). Время сгорания горючей смеси в действительном цикле с подводом теплоты при V=const фактически совсем не мало. Наоборот, из всех известных циклов в указанном цикле время сгорания горючей смеси самое большое. Именно этим фактором обусловлена низкая скорость нарастания давления (dp/dφ) во время сгорания в двигателях с внешним смесеобразованием. Из рис. 80 (Сороко-Новицкий, стр.142 т.1) видно, что в двигателе с ε=3,2 с момента отрыва линии сгорания от линии сжатия до точки Рz сгорание происходит на отрезке протяженностью 400 ПКВ. Скорость нарастания давления при этом составляет всего лишь 0,4 кг/см2/град. Напомним, что «В форсированных быстроходных дизелях… максимальная скорость нарастания давления во время сгорания достигает 15 и более кГ/(см2·град). В нефорсированных дизелях максимальная скорость нарастания давления обычно находится в пределах 3-6 кГ/(см2·град). Эти величины значительно превышают жесткость сгорания в бензиновых двигателях, где эта скорость составляет 1,5-2 кГ/(см2·град)». (Д.Н.Вырубов. Стр. 143) Объяснение заключается в другом: по циклу с подводом теплоты при V=const работают либо двигатели без сжатия смеси, либо тихоходные двигатели с низкой степенью сжатия. В таких двигателях время нахождения поршня в ВМТ и вблизи ВМТ (назовем его для данной ситуации зоной малого изменения состояния рабочего тела) относительно большое и практически совпадает со временем сгорания горючей смеси. (Комментарий: Как бы медленно или быстро не вращался кривошип, действительный цикл ДВС имеет продолженные во времени и пространстве координаты. Эти координаты в виде бесчисленного множества точек отражаются на диаграмме работы двигателя. Если считать, что процесс сгорания происходит мгновенно, то он превращается в точку. Совместить мгновенный процесс с процессом, продолжаемым во времени невозможно. Если же отказаться от допущения о мгновенности процесса подвода теплоты и признать, что процесс сгорания также является продолженным во времени явлением, то остается выявить закономерности его протекания и наилучшим образом совместить с линией диаграммы цикла). Существуют следующие термодинамические процессы идеального газа: V=const (изохорный процесс), Р=const (изобарный процесс), T=const (изотермный процесс), dq=0 (адиабатный процесс). Для аналитического описания процессов, которые не могут быть представлены ни одним из четырех перечисленных, вводится понятие политропного процесса. («Теплотехника» Стр. 41). Рассмотрим, как указанные процессы соотносятся с работой ДВС. 1. В цикле ДВС с изохорным процессом V=const в период подвода теплоты к рабочему телу работа вообще не совершается. До начала совершения работы в цилиндре достигаются максимально возможные величины температуры Тz и давления Рz и, соответственно, обеспечиваются наивысшие потери теплоты в систему охлаждения и механические потери. Это одна сторона проблемы.

Похожие:

	· · Межвузовский сборник научных трудов Выпуск седьмой Язык. Речь. Речевая деятельность: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск седьмой. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный...		Сборник научных трудов студентов и молодых ученых Наука и молодежь: сборник научных трудов студентов и молодых ученых. Вып / Редколлегия: Роговая В. Г., Горин Н. И. – Курган: Курганский...
	Сборник научных трудов студентов и молодых ученых Наука и молодежь: сборник научных трудов студентов и молодых ученых. Вып / Редколлегия: Роговая В. Г., Горин Н. И. – Курган: Курганский...		Российский гуманитарный научный фонд академия наук Российский гуманитарный научный фонд (ргнф) и Академия наук Молдовы (анм) в соответствии с заключенным между ними соглашением о сотрудничестве...
	Российская академия наук «О реализации в 2006-2008 годах пилотного проекта совершенствования системы оплаты труда научных работников и руководителей научных...		Российской Федерации Дальневосточный государственный университет... Л. П. Бондаренко, канд филол наук, профессор; Л. Е. Корнилова, старший преподаватель; Н. С. Морева, канд филол наук, профессор, М....
	Н. Г. Чернышевского Педагогический институт музыка и молодежь: теоретические... Музыка и молодежь: теоретические и практические аспекты: сборник научных статей. Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2011....		Пособие для учащихся общеобразовательных учреждений 2-е издание Москва «Просвещение» 2011 Российская академия наук Российская академия образования Издательство «Проевещепте»
	Редакционнаяколлеги я: доктор политических наук, профессор А. А.... П50 Политические проблемы современного общества: Сборник научных статей кафедры политических наук Национального исследовательского...		Российский гуманитарный научный фонд национальная Российский гуманитарный научный фонд (ргнф) и Национальная академия наук Украины (нан украины) в соответствии с заключенным между...