Круговые процессы (циклы)

1.

Круговые процессы (циклы)
Круговыми процессами называются замкнутые процессы,
характеризующиеся возвратом системы (рабочих тел) в исходное состояние, то есть в исходное состояние возвращаются
параметры состояния, а значить интегральное изменение любой
функции состояния равно нулю:
dz 0
где z = p; V(v); Т; U(и); H(h) и т.п.
Круговые процессы, как периодически повторяющиеся,
реализуются в тепловых машинах ( тепловых двигателях и
холодильных машинах) и называются циклами.
Различают прямые и обратные циклы. Те и другие могут быть
обратимые и реальные.

2.

P
Q1
L ц
Q2
Круговые процессы, в результате
реализации которых получена полезная
работа, осуществляются в тепловых
двигателях, называются прямыми
циклами и направлены по
часовой стрелке.
V
P
Q1
L ц
Q2
V
Круговые процессы, в результате
которых происходит охлаждение
рабочих тел до температуры ниже
температуры окружающей среды,
осуществляются в холодильных машинах.
Такие циклы называются обратными
и направлены против часовой стрелки

3.

Выражение первого начала термодинамики по
внешнему балансу для цикла записывается в следующем
виде:
*
*
Q
dU
L
С учетом того, что
для кругового
процесса
получаем выражение первого начала термодинамики
0
dUдля
кругового процесса
* теплоты*
Интегральные значения количества
и работы
в круговом процессе
могут быть представлены в виде
.
Q
L
*
Q
Q
*
Q1
Q2
;
L
*
Lц
L рас .
*
L
Lсж .

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
L*ц
Q1*
Q1* Q2*
Q1*
1
Q2*
Q1*
Для обратимого цикла теплового двигателя КПД определяется
cледующим образом:
обр .
Lц .обр
Q1обр

5. Цикл Карно

p
1
1-2
2-3
3-4
4-1
q1
2
4
q2
3
v
изотермическое расширение
адиабатное расширение
изотермическое сжатие
адиабатное сжатие

6. Цикл Карно

T
q1
1
2
Т1
Т2
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
T2 s
Т2
1
1
T1 s
Т1
3
4
q2
Δs
S
Цикл Карно дает максимальное значение
термического КПД в заданной диапазоне температур

7. Циклы ДВС

• 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

8. Теоретические циклы ДВС

ЦИКЛЫ ДВС
Цикл Отто
Цикл Дизеля
Цикл
Тринклера-Сабатэ

9. Цикл Отто

1-й такт: ВПУСК
Открывается впускной клапан
Поршень движется вниз
Цилиндр заполняется ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСЬЮ
Закрывается впускной клапан
2-й такт: СЖАТИЕ
Клапаны закрыты
Поршень движется вверх
Повышаются давление и температура
3-й такт СГОРАНИЕ-РАСШИРЕНИЕ
Сгорание.
Расширение.
4-й такт: Выпуск
Открывается выпускной клапан
Поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания,
находящиеся в цилиндре

10. Цикл Отто

p
T
3
3
q1
q1
2
2
4
q2
1
4
q2
1
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
s

11. Характеристики цикла Отто

1
ε
2
p3
p2
Cv T4 T1
q2
ηt 1
1
q1
Cv T3 T2
T4
1
T1
1
T1
1 k 1
1
T2 T3 1
T
2

12. Необходимо отметить

• ε = 7..11
• Во время впуска в цилиндр поступает топливовоздушная смесь
• Топливовоздушная смесь воспламеняется благодаря
электрическому заряду
• Сгорание происходит очень быстро
• ηt = 25…30 %

13. Цикл Дизеля

q1
p
3
3
T
q1
2
4
2
4
1
q2
q2
1
v
1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
2-3 изобарный подвод теплоты
4-5 адиабатное расширение рабочего тела
5-6 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к
холодному источнику
s

14. Характеристики Цикла Дизеля

1
2
3
2
T4
1
Cv T4 T1
q2
T1 T1
1 p 1
1 1
1
1 k 1
q1
C p T3 T2
kT2 T3 1
(p 1)
T
2

15. Необходимо отметить

• ε = 15…22
• Во время впуска в цилиндр поступает воздух
• Топливо воспламеняется путем самовоспламенения
• Сгорание длиться столько же, сколько длиться процесс
впрыскивания
• ηt = 40…45 %

16. Цикл Тринклера (Сабатэ)

q’’1
p
3
T
4
q”1
q’1
q’1
2
3
4
5
2
5
1
q2
1
v
1-2 адиабатное сжатие рабочего тела
2-3 изобарный подвод теплоты
3-4 изохорный подвод теплоты
4-5 адиабатное расширение
5-6 изохорный отвод теплоты от рабочего тела к
холодному источнику
q2
s

17. Характеристики цикла Тринклера-Сабатэ

1
2
p3
p2
4
3
q2
1
1
t 1 ' '' 1 1
q1 q1
( 1) ( 1)

18. Сравнение циклов Отто и Дизеля при ε=const

123’4 – цикл с изохорным
подводом теплоты
123’’4 – цикл с изобарным
подводом теплоты
3’
T
3’’
v=const
4
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
p=const
2
q2
дизеля
q1отто q
1
1
s
a
b
tотто tдизеля

19. Сравнение циклов ДВС Т3=const

1234 – цикл с изохорным подводом
теплоты
12’34 – цикл с изобарным
подводом теплоты
3
T
p=const
2’
2
4
q1 q 2
q2
t
1
q1
q1
v=const
q2
1
s
q1дизеля q1отто
tдизеля tотто

20.

Схемы и циклы ГТУ

21.

Типы ГТУ
по способу
сжигания
топлива
p=const
v=const
способ передачи теплоты
холодному источнику
открытые
закрытые

22. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

1 – компрессор
3 – камера сгорания
4 – топливный насос
5 – клапаны
6 – газовая турбина

23. Изменение давления в зависимости от времени в камере сгорания

24. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

Р
Р0
3
q1
4
2
1
q2
T
3
q1
4
2
1
v
q2
s
1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
2-3 изохорный подвод теплоты
(v=const)
3-4 адиабатное расширение рабочего
тела в газовой турбине
4-1 изобарный отвод теплоты

25. Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

p2
( )
p1
p3
пт
p2
t 1
1
k пт1/k 1
(k 1)/k
пт 1

26. Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе v=const (импульсная)

27. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

1 – компрессор
2 – камера сгорания
3 – газовая турбина
4 – электрогенератор
5 – топливный насос

28. Цикл ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

q1
Р
2
3
1
q2
4
v
3
T
q1
4
2
1
q2
s
1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
2-3 изобарный подвод теплоты (p=const)
3-4 адиабатное расширение рабочего тела
газовой турбине
4-1 изобарный отвод теплоты

29. Характеристики цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

p2
( )
p1
3
2
q2
T4 T1
1
t 1 1
1 1
q1
T3 T2

30. Экономичность цикла ГТУ с подводом теплоты в процессе p=const

31. Сравнение циклов ГТУ

Условия сравнения:
p const
v const , то
есть
v const
p const
q1
q1
пл a123'b пл a123''c
3’
T
3’’
V=const
p=const
2
4’’
отведенная теплота разная, то есть
4’
1
a
b c
s
так как
, то
пл
a14'b пл a14''c
t 1
q2
q1
v const
t
p const
t

32. Сравнение циклов ГТУ

Однако, ГТУ с изохорным подводом теплоты не получили широкого
распространения.
Недостатки
• Сложности в организации изохорного сгорания топлива
• Усложнение конструкции камеры сгорания
• Усиленный износ клапанов

33. Цикл ГТУ с регенерацией тепла

1 – воздушный компрессор
2 – камера сгорания
3 – газовая турбина
4 – электрогенератор
5 - регенератор

34. Цикл ГТУ с регенерацией тепла

Р
2
q1
2’
3
qто
4’
1
4
q2
v
3
T
q1
2
1
2’
4’
4
q2
s
qто
1-2 адиабатное сжатие воздуха в
компрессоре
2-2’ нагрев воздуха в регенераторе за
счет теплоты уходящих газов
2’-3 нагрев рабочего тела в камере
сгорания при p=const в процессе
подвода тепла при сжигании топлива
3-4 адиабатное расширение рабочего
тела в турбине
4-4’ – отвод теплоты от уходящих газов в
регенераторе
4-1 – охлаждение газов в атмосфере

35. Характеристики цикла ГТУ с регенерацией тепла

Т 2' Т 2
Т4 Т 2
3
T
q1
2
1
2’
4’
4
p2
p1
q2
s
qто
3
2'
t 1
Т
( 1)
2'
Т2
1
k 1
k
( 1)
( 1)