Тема 5. Идеальные циклы тепловых двигателей

5.1. Особенности термодинамического метода исследования циклов тепловых двигателей

Основной задачей термодинамического исследования циклов тепловых двигателей является определение степени преобразования подведённого тепла в работу, т.е. определение термического КПД цикла и факторов, на него влияющих. В ходе исследования определяются также подведённое q₁ и отведённое q₂ тепло, работа цикла L_ц, оцениваются пути повышения эффективности цикла.

Теоретическое исследование реальных циклов тепловых двигателей является трудной задачей, поскольку превращение теплоты в работу у реального двигателя связано со многими сложными физическими, химическими и газодинамическими процессами, такими, как, например, горение топлива, теплоотдача от рабочего тела в стенки двигателя, течение газа в различных элементах двигателя и др. Изучение особенностей каждого из этих процессов является самостоятельной сложной научной задачей, которая рассматривается в теории двигателей.

В технической термодинамике изучаются идеальные циклы. В них реальные процессы идеализируются и отождествляются с обратимыми термодинамическими процессами, применительно к которым и проводятся все расчёты. Переход от реальных циклов к идеальным производится при следующих допущениях:

1. Идеализируется рабочее тело – химический состав его при осуществлении цикла принимается неизменным. Для циклов, в которых рабочим телом является газ, последний считается идеальным с неизменными физическими свойствами.

2. Процессы, составляющие цикл, считаются обратимыми. В связи с этим принимается, что трение и другие диссипативные эффекты отсутствуют.

3. Процесс горения заменяется условным обратимым процессом подвода тепла к рабочему телу.

4. Цикл считается замкнутым, процессы смены рабочего тела не рассматриваются, а процесс выбрасывания продуктов сгорания и их охлаждение в атмосфере, заменяются условным процессом отвода тепла от рабочего тела.

Составленный из таких процессов и при принятых допущениях цикл называется идеальным.

Термодинамическое исследование идеального цикла начинается обычно с построения его в “p-υ” или “T-s” координатах. Для этого необходимо задать параметры рабочего тела p₁, υ₁, T₁ в исходной точке 1 цикла и знать уравнения термодинамических процессов, составляющих цикл. Кроме того, для каждого конкретного цикла дополнительно задаются некоторые безразмерные параметры цикла, представляющие собой отношения одноименных параметров рабочего тела, относящихся к его состояниям в характерных точках цикла.

К числу таких параметров цикла относятся:

– степень повышения давления, (5.1)

где p₁ – начальное давление рабочего тела,

p₂ – давление в конце процесса повышения давления рабочего тела;

– степень сжатия, (5.2)

где υ₁ – начальный удельный объём рабочего тела,

υ₂ – удельный объём в конце процесса сжатия рабочего тела;

– степень подогрева, (5.3)

где T₁ – начальная температура рабочего тела,

T₃ – конечная температура рабочего тела в процессах повышения давления (сжатия) и подвода теплоты;

– степень повышения давления при подводе тепла, (5.4)

где p₁ – начальное давление рабочего тела до подвода тепла,

p₃ – конечное давление рабочего тела после подвода тепла;

– степень расширения при подводе тепла, (5.5)

где υ₂ – удельный объём в конце процесса сжатия рабочего тела,

υ₃ – удельный объём в конце процесса подвода тепла.

Эти безразмерные параметры определяют пределы изменения параметров рабочего тела в цикле при сжатии или при подводе тепла.

Общее значение термодинамического метода исследования циклов тепловых машин состоит в том, что это исследование позволяет установить наибольшее теоретически возможное значение термического КПД цикла, т.е. оценить предельную степень эффективности преобразования теплоты в работу в исследуемом цикле.