Obiegi - wprowadzenie
1
OBIEGI - WPROWADZENIE
Obieg – jest to układ termodynamiczny, w którym niezmienna ilość czynnika okresowo powraca do stanu wyjściowego.
Celem realizacji obiegu jest uzyskanie pracy, która może być przekazana na zewnątrz i wykorzystana np. do napędu układów mechanicznych.
Realizacja obiegu wymaga doprowadzenia i odprowadzenia ciepła. W wyniku realizacji obiegu uzyskuje się pracę, przekazywaną na zewnątrz układu, w którym obieg jest realizowany.
Wielkością charakteryzującą obieg jest sprawność obiegu – w teoretycznych obiegach silnikowych nazywana sprawnością teoretyczną t.
Jest definiowana następująco:
Q Q
Q
d
o
o
1
,
t
Q
Q
d
d
gdzie: Qd – ciepło doprowadzone do biegu (na wykresie T-S przedstawia je pole a-b-1-c-d), Qo – ciepło odprowadzone z obiegu (na wykresie T-S przedstawia je pole a-b-2-c-d).
Różnica ciepła doprowadzonego do obiegu i ciepła odprowadzonego z obiegu jest zamieniana na pracę uzyskiwaną w wyniku realizacji obiegu.
L Q Q
d
o
Potwierdza to pierwsza zasada termodynamiki:
U
Q L
gdzie: ΔU – przyrost energii wewnętrznej czynnika,
Q = Qd - |Qo| - ciepło obiegu,
L – praca obiegu.
Opracowanie: Ewa Fudalej - Kostrzewa
2
W wyniku realizacji obiegu przyrost energii wewnętrznej czynnika wynosi zero (ΔU = 0), a zatem ciepło obiegu jest równe pracy obiegu:
Q = L
Sprawność obiegu teoretycznego można zatem zapisać następująco:
d
Q
o
Q
L
t
d
Q
d
Q
Podczas realizacji obiegu gaz podlega sprężaniu, czemu towarzyszy zmniejszenie objętości gazu oraz rozprężaniu, czemu towarzyszy zwiększenie objętości gazu. Proces sprężania jest realizowany w wyniku przyłożenia do tłoka z zewnątrz siły, potrzebnej do przesunięcia tłoka w kierunku zmniejszającej się objętości gazu, czyli doprowadzenia pracy z zewnątrz Lz (na wykresie p-V przedstawia ją pole 1-2-b-3-4). Proces rozprężania jest realizowany w wyniku nacisku gazu w cylindrze na tłok, czego efektem jest powstanie siły przesuwającej tłok w kierunku zwiększenia objętości i wykonanie pracy przez gaz Lw (na wykresie p-V
przedstawia ją pole 1-2-a-3-4). Różnica tych prac jest równa pracy obiegu: L L L
w
z
Teoretyczne obiegi silnikowe są realizowane w cylindrze zamkniętym ruchomym tłokiem, w warunkach quasistatycznych. Ciepło jest doprowadzane do czynnika znajdującego się wewnątrz cylindra przez ścianki cylindra i odprowadzane na zewnątrz również przez ścianki cylindra. W teorii silników spalinowych są rozważane teoretyczne obiegi Otto, Diesla i Sabathe.
W rozważaniach termodynamicznych obiegi te są porównywane z obiegiem Carnota, który w danym zakresie temperatur charakteryzuje się największą sprawnością.
Dla wszystkich teoretycznych obiegów silnikowych jest charakterystyczne, że:
- proces sprężania odbywa się izentropowo,
- proces rozprężania odbywa się izentropowo,
- odprowadzenie ciepła z obiegu odbywa się izochorycznie.
Różny jest sposób doprowadzenia ciepła. I tak:
-w obiegu Otto ciepło jest doprowadzane izochorycznie,
- w obiegu Diesla ciepło jest doprowadzane izobarycznie,
- w obiegu Sabathe ciepło jest doprowadzane w dwóch częściach – jedna część ciepła jest doprowadzana izochorycznie a druga izobarycznie,
W obiegu Carnota ciepło jest doprowadzane i odprowadzane izotermicznie, a proces sprężania i rozprężania odbywa się izentropowo, tak samo jak w teoretycznych obiegach silnikowych.
Opracowanie: Ewa Fudalej - Kostrzewa