Круговые процессы, цикл Карно

1. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок 1. Круговые процессы, цикл Карно

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Кафедра термодинамики и тепловых двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
1. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЦИКЛ КАРНО

2. Круговые процессы (циклы)

■ Тепловые машины – тепловые двигатели и холодильные машины.
Все тепловые машины работают циклически.
■ Круговые процессы или циклы тепловых машин – замкнутые
процессы, характеризующиеся возвратом системы (рабочих тел) в
исходное состояние.
■ В круговых процессах интегральное изменение любой функции
состояния равно нулю
dz 0
где z = p; V(v); Т; U(u); H(h) и т.п.
2

3.

Термодинамические схемы теплового
двигателя (а) и холодильной машины (б):
– обратимый цикл,
– реальный цикл
3

4.

■ Эффективность любого реального теплового двигателя
определяется коэффициентом полезного действия (КПД).
■ Коэффициент полезного действия реальных циклов тепловых
двигателей численно равен отношению полученной работы к
подведенному извне количеству теплоты
*
Lц
Q1*
*
*
Q1 Q2
Q1*
1
*
Q2
Q1*
■ Для обратимого цикла теплового двигателя КПД определяется
следующим образом:
обр
Lц .обр
Q1обр
4

5. Цикл Карно

А-В изотермическое
расширение
В-С адиабатное
расширение
С-D изотермическое
сжатие
D-A адиабатное
сжатие
Французский инженер Сади Карно в 1824 г. предложил обратимый цикл
тепловой машины, рабочим телом в котором является идеальный газ.
Цикл Карно осуществляется между двумя внешними источниками постоянных
температур Т1 и Т2 и состоит из двух адиабат(?) и двух изотерм(?)
5

6. Цикл Карно

p
Цикл Карно дает максимальное значение
термического КПД в заданном диапазоне
температур
T
1
q1
q1
1
2
1-2 изотермическое расширение
Т1
2
2-3 адиабатное расширение
Т2
4
q2
3-4 изотермическое сжатие
3
4
4-1 адиабатное сжатие
q2
3
v
Δs
S
q1 q 2
q2
T2 s
Т2
t
1
1
1
q1
q1
T1 s
Т1
6

7. Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок 2. циклы двс

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
Кафедра термодинамики и тепловых двигателей
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
2. ЦИКЛЫ ДВС

8. Циклы двигателей внутреннего сгорания

Тепловые поршневые машины, в которых в качестве рабочего тела
используются продукты сгорания жидких или газообразных топлив,
сжигаемых непосредственно внутри рабочего цилиндра
0-1 – процесс всасывания воздуха из атмосферы в
цилиндр двигателя
1-2 – процесс сжатия воздуха
т.2 – начало воспламенения топлива
2-3 – изохорный подвод теплоты
3-4 – процесс адиабатного расширения продуктов
сгорания
т. 4 – открытие выхлопного клапана
4-0 – изохорный отвод теплоты (выхлоп дымовых газов в
атмосферу)
8

9. Циклы ДВС – допущения

■ Масса рабочего тела не меняется.
■ При подводе теплоты (сжигании топлива) не происходит химических
реакций.
■ Не происходит побочных потерь теплоты, кроме основной – во время
выпуска газов.
■ Процессы сжатия и расширения происходят адиабатно.
■ Процесс отвода рабочего тела заменяется отводом теплоты через
стенки цилиндра.
■ Все процессы считаются обратимыми.
■ Рабочим телом принимается идеальный газ.
9

10. Теоретические циклы ДВС (по характеру подвода теплоты)

ЦИКЛЫ
ДВС
Цикл Отто
Цикл Дизеля
Цикл Тринклера-Сабатэ
10

11. Цикл Отто

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз до НМТ
Цилиндр заполняется ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСЬЮ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх до ВМТ
Повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Сгорание (искра от свечи).
Расширение.
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре (рабочий ход)
11

12. Цикл Отто

T
p
3
3
q1
q1
4
2
2
4
q2
q2
1
1
s
v
■ 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
■ 2-3 изохорный подвод теплоты
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела
■ 4-1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику
12

13. Характеристики цикла Отто

p
■ Степень сжатия
1
ε
2
■ Степень повышения давления
p3
p2
T
3
q1
q1
2
2
4
q2
1
3
4
q2
1
s
v
T4
1
Cv T4 T1
q2
T1 T1
1
1 k 1
ηt,О 1
1
1
q1
Cv T3 T2
T2 T3 1
T
2
■ Термический КПД
13

14. Необходимо отметить

■ Степень сжатия ε = 7..11
■ Во время впуска в цилиндр поступает топливовоздушная смесь
■ Топливовоздушная смесь воспламеняется благодаря
электрическому заряду
■ Сгорание происходит очень быстро
■ Термический КПД цикла ηt,О = 25…30 %
14

15. Цикл Дизеля

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз
Цилиндр заполняется ВОЗДУХОМ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх
ЗНАЧИТЕЛЬНО повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Топливо впрыскивается под высоким давлением (самовосплам-е)
Расширение
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре
15

16. Цикл Дизеля

q1
p
2
T
3
3
q1
4
2
4
q2
q2
1
1
v
■ 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
s
■ 2-3 изобарный подвод теплоты
■ 3-4 адиабатное расширение рабочего тела
■ 4-1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику
16

17. Характеристики Цикла Дизеля

q1
p
2
3
■ Степень сжатия
1
2
■ Степень предварительного расширения
3
T
q1
4
2
4
1
q2
q2
1
v
s
3
2
T4
1
Cv T4 T1
q2
T1 T1
1 1
t ,Д 1 1
1
1 k 1
q1
C p T3 T2
kT2 T3 1
( 1)
T
2
■ Термический КПД
17

18. Необходимо отметить

■ Степень сжатия ε = 15…22
■ Во время впуска в цилиндр поступает воздух
■ Топливо воспламеняется путем самовоспламенения
■ Сгорание длится столько же, сколько длится процесс впрыскивания
■ Термический КПД цикла ηt,Д = 40…45 %
18

19. Цикл Тринклера (Сабатэ)

q’’1
p
3
q”1
T
4
q’1
q’1
4
3
5
2
2
5
q2
q2
1
1
s
v
■ 1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
■ 2-3 изохорный подвод теплоты
■ 3-4 изобарный подвод теплоты
■ 4-5 адиабатное расширение
■ 5-1 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к холодному источнику
19

20. Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ

q’’1
p
■ Степень сжатия
1
2
■ Степень повышения давления
p3
p2
3
T
4
q”1
q’1
q’1
4
3
5
2
2
5
q2
q2
1
v
1
s
■ Степень предварит. расширения
4
3
q2
1
1
1 1
■ Термический КПД t ,С Т 1 '
''
q1 q1
( 1) ( 1)
20

21. Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=idem

3’
T
v=idem
3’’
■ 123’4 – цикл с изохорным подводом
теплоты
4
■ 123’’4 – цикл с изобарным подводом
теплоты
p=idem
2
q2
1
s
a
b
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
q1,О q1,Д
ηt,О ηt,Д
21

22. Сравнение циклов Отто и Дизеля при Т3=idem

3
T
■ 1234 – цикл с изохорным подводом
теплоты
p=idem
2’
■ 12’34 – цикл с изобарным подводом
теплоты
4
v=idem
2
q1,Д q1,О
q2
1
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
s
ηt,Д ηt,О
22