Начальный поршневой двигатель с внешним подводом теплоты: принцип работы

 

 

М.И.Куколев, Член-корреспондент Академии военных наук РФ, доктор технических наук, с.н.с., профессор Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого,

А.А.Котлов, инженер

 

 

Аннотация

В статье рассматривается поршневой двигатель с внешним подводом теплоты (ДВПТ) с различными рабочими телами: «рабочее тело - идеальный газ» и «рабочее тело - реальный газ».

Основополагающим началом рассмотрения является выяснение различий в протекающих термодинамических процессах в цикле ДВПТ при использовании в качестве рабочего тела «идеального газа» и «реального газа» и влияния на «полезную работу цикла» работы по перемещению рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве термодинамической системы, поскольку реальные газы, сколь близко бы они не подходили к определению идеального газа («реальный газ по своим свойствам тем ближе к идеальному, чем ниже плотность газа»), всегда отличаются от идеального газа тем, что у них есть вполне определённая плотность, а значит и масса, не стремящаяся к нулю.

Под начальным поршневым двигателем будем понимать поршневой двигатель, в котором нагрев рабочего тела в полости цилиндра осуществляется явным образом, а охлаждение рабочего тела в полости цилиндра осуществляется неявным, опосредованным образом.

Для начала вспомним, что такое идеальный газ.

1. Газ, молекулы которого рассматриваются как невзаимодействующие друг с другом материальные точки, называется идеальным[1];

2. Идеальный газ - газ, подчиняющийся уравнению состояния pv = RT,

где р - давление, v - мольный объем, R - универсальная газовая постоянная,

Т - термодинамическая температура [2];

3. Газы, строго подчиняющиеся уравнению pv = RT, называются идеальными или          совершенными газами [3];

4. Газ, строго подчиняющийся уравнению pv = RT, называется идеальным газом, а уравнение pv = RT носит название уравнение идеального газа.

Реальный газ по своим свойствам тем ближе к идеальному, чем ниже плотность газа.

Таким образом, представление об идеальном газе основано на том, что:

идеальный газ строго подчиняется уравнению Клайперона (основное определение идеального газа);

идеальный газ - это предельное состояние реального газа при ρ→0;

идеальный газ - это газ, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, взаимодействие которых между собой ограничено соударениями [4];

5. Идеальным газом называется такой, между молекулами которого не существует          силового взаимодействия, а сами молекулы не обладают ни объёмом, ни массой [5];

Но реальные газы, сколь близко бы они не подходили к определению идеального газа («реальный газ по своим свойствам тем ближе к идеальному, чем ниже плотность газа» [4]), всегда отличаются от идеального газа, тем, что у них есть вполне определённая плотность, а значит и масса, не стремящаяся к нулю.

Соответственно, на диаграммах тепловых циклов графическое отображение термодинамических процессов идеального газа и реальных газов будет различным, т. е. на диаграммах графические линии термодинамических процессов не будут совпадать.

Для графического отображения термодинамических процессов, протекающих в тепловых циклах поршневого двигателя (поршневой машины), воспользуемся «силовой диаграммой», аналогичной индикаторной диаграмме [6], [7], то есть диаграммой с координатными осями

[S_п]_x, м  и  [P_м • F_п]_y, Н

     Рис. 1. Система координат для силовой диаграммы

где,

S_п - ход поршня;

[S_п]_x, м - ход поршня, откладываемый по оси Х, в метрах;

P_м - давление рабочего тела в полости цилиндра (манометрическое, вакууметрическое), Па;

F_п - площадь днища поршня (площадь проекции днища поршня на плоскость перпендикулярную оси цилиндра, с учётом зазора между днищем поршня и стенкой          цилиндра, закрытого поршневым кольцом), м²;

[P_м • F_п]_y, Н - усилие рабочего тела на днище поршня, откладываемое по оси Y, в Ньютонах;

[P_м • F_п] ⨯ [S_п], Дж - работа термодинамического процесса, в Джоулях.

ПМО - положение меньшего объёма - положение поршня в цилиндре, при котором геометрический объём рабочего тела имеет наименьшее значение;

ПБО - положение большего объёма - положение поршня в цилиндре, при котором геометрический объём рабочего тела имеет наибольшее значение.

Поршневой двигатель (поршневой двигатель с внешним подводом теплоты - ДВПТ) будем рассматривать как закрытую термодинамическую систему.

В координатах «силовой диаграммы» изобразим схематично кривые термодинамического процесса рабочего хода рабочего тела - идеального газа и термодинамического процесса сжатия рабочего тела - идеального газа.

Для идеального газа будет «обратимый процесс», т. е. линия рабочего хода рабочего тела-идеального газа и линия сжатия рабочего тела-идеального газа будут совпадать.

     Рис. 2. Силовая диаграмма теплового цикла поршневой машины (1' - 2' - 1') при рабочем теле - идеальном газе.

Наружная поверхность цилиндра тепло изолирована

1' - 2' - термодинамический процесс сжатия рабочего тела - идеального газа в поршневом двигателе;

2' - 1' - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела - идеального газа в поршневом двигателе;

(+L₁) - работа, передаваемая тепловым циклом внешней среде - рабочий ход рабочего тела - идеального газа (движение поршня от ПМО к ПБО);

(-L₂) - работа подводимая к тепловому циклу от внешней среды — сжатие рабочего тела - идеального газа,  в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела - идеального газа (движение поршня от ПБО к ПМО);

Для рабочего тела - идеального газа  |(+L₁)| = |(-L₂)|.

Для реального газа, то есть газа обладающего плотностью и массой отличной от нуля, «обратимого процесса» не будет.

Наружная поверхность цилиндра теплоизолирована, за исключением крышки цилиндра, через которую подводится положительная теплота (+Q₁) при нахождении поршня в ПМО.

     Рис. 3. Силовая диаграмма прямого теплового цикла поршневого двигателя (1 - 2 - 3 - 1) при рабочем теле - реальном газе.

1 - 2' - термодинамический процесс сжатия рабочего тела - идеального газа в поршневом двигателе;

1 - 2 - термодинамический процесс сжатия рабочего тела - реального газа в поршневом двигателе;

2 - 3 - термодинамический процесс подвода положительной теплоты (+Q₁) в тепловой цикл (нагрев рабочего тела) при нахождении поршня на линии ПМО;

3 - 1' - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела - идеального газа в поршневом двигателе;

3 - 1 - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела - реального газа в поршневом двигателе;

(+Q₁) - подвод положительной теплоты в тепловой цикл (нагрев рабочего тела) при нахождении поршня на линии ПМО;

(L₀₁) — суммарная работа по перемещению рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) и по выталкиванию в окружающую цилиндр внешнюю среду той части внешней среды, которая находится в цилиндре с внешней стороны поршня и выталкивается в окружающую цилиндр внешнюю среду внешней стороной поршня при движении поршня от ПМО к ПБО, за счёт внутренней энергии закрытой термодинамической системы, при движении поршня от ПМО к ПБО;

(+L₁) - работа, передаваемая тепловым циклом внешней среде - рабочий ход рабочего тела - реального газа (движение поршня от ПМО к ПБО);

(L₀₂) - работа по перемещению рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) за счёт энергии подводимой к закрытой термодинамической системе от внешней среды, в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(-L₂) - работа, подводимая к тепловому циклу от внешней среды — сжатие рабочего тела - реального газа (движение поршня от ПБО к ПМО),  в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела.

Для рабочего тела - реального газа  |(+L₁)| > |(-L₂)|.

Примечание

Работа по вталкиванию части внешней среды в цилиндр до внешней стороны поршня (из внешней среды окружающей цилиндр) при движении поршня от ПБО к ПМО производится за счёт внешней среды окружающей цилиндр.

Поскольку реальный газ обладает вполне определённой массой, то для его перемещения во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (для перемещения рабочего тела - реального газа внутри цилиндра поршневого двигателя) необходимо совершать некоторую работу.

При движении поршня от ПМО к ПБО (от ВМТ к НМТ) энергию для совершения работы по перемещению рабочего тела - реального газа внутри цилиндра поршневого двигателя можно взять только из внутренней энергии самого рабочего тела - реального газа, находящегося во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (внутри цилиндра поршневого двигателя), соответственно, во внешнюю среду при этом будет передано меньшее количество работы, чем было бы передано в случае рабочего тела - идеального газа.

Если энергия (работа) переданная внешней среде при рабочем ходе рабочего тела - реального газа превышает энергию (работу) необходимую для последующего сжатия рабочего тела - реального газа, то это превышение работы (избыток работы) остаётся во внешней среде для совершения (производства) работы не связанной с работой теплового цикла поршневого двигателя, если же энергия (работа) переданная внешней среде при рабочем ходе рабочего тела - реального газа меньше энергии (работы), необходимой для последующего сжатия рабочего тела - реального газа, то недостающая (дополнительная) энергия (работа) берётся из внешней среды из запасов энергии внешней среды не связанных с работой теплового цикла поршневого двигателя.

Если же дополнительной энергии нет и у внешней среды или внешняя среда отделяется (изолируется) от цилиндра, то поршневой двигатель (поршневой двигатель с внешним подводом теплоты - ДВПТ) будет работать до тех пор, пока не исчерпает свой собственный запас энергии (запас энергии заключённый в рабочем теле - реальном газе), сопровождаемый понижением температуры рабочего тела - реального газа, т. е. поршневой ДВПТ остановится после того, как запас внутренней энергии (способности совершить работу) рабочего тела - реального газа, находящегося в полости цилиндра, сравняется с величиной энергии (работы), которая необходима для перемещения рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве цилиндра, и для перемещения рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве цилиндра в следующем цикле запаса энергии уже не хватит.

При движении поршня от ПБО к ПМО (от НМТ к ВМТ), т. е. при сжатии рабочего тела - реального газа, энергия для совершения работы по сжатию рабочего тела - реального газа и энергия для совершения работы по перемещению рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (по перемещению рабочего тела - реального газа внутри цилиндра поршневого двигателя) будет взята из внешней среды, в том числе, и за счёт энергии (работы) переданной закрытой термодинамической системой (поршневым двигателем) внешней среде при ранее совершённом рабочем ходе рабочего тела - реального газа (при движении поршня от ПМО к ПБО).

Этот тепловой цикл допустимо рассматривать в качестве базового теплового цикла для развития как прямых тепловых циклов поршневых двигателей, так и для развития обратных тепловых циклов теплонасосно-холодильных поршневых машин.

Уточнение

При рассмотрении вопросов развития тепловых циклов в качестве рабочего тела будет рассматриваться только реальный газ и в термине (словосочетании) «рабочее тело - реальный газ» уточнение « -реальный газ» будет опускаться для упрощения изложения и восприятия текста.

Развитие тепловых циклов поршневых двигателей и тепловых циклов теплонасосно-холодильных поршневых машин

Развитие тепловых циклов поршневых двигателей

     Рис. 4. Силовая диаграмма развития прямого теплового цикла поршневого двигателя (1 - 2 - 3 - 1) в последовательность прямых тепловых циклов поршневого двигателя при уменьшении количества подводимой положительной теплоты (+Q₁) искусственного происхождения.

Под термином (словосочетанием) «источник положительной теплоты искусственного происхождения (+Q₁)» будем понимать источник положительной теплоты (+Q₁), температура которого выше температуры внешней среды.

Под термином (словосочетанием) «источник положительной теплоты естественного происхождения (+Q₁)» в качестве источника положительной теплоты (+Q₁) будем понимать внешнюю среду, температура которой выше температуры рабочего тела в полости цилиндра и существует тепловой поток от внешней среды к рабочему телу в полости цилиндра.

Развитие теплового цикла (1 - 2 - 3 - 1) в последовательность тепловых циклов при уменьшении (1₁ - 2₁ - 3₁ - 1₁), а затем и полном отключении (1₂ - 2₂ - 3₂ - 1₂) источника положительной теплоты искусственного происхождения (+Q₁), происходит по схеме:

- уменьшается количество подводимой положительной теплоты (+Q₁) искусственного происхождения и появляется подвод некоторого количества положительной теплоты (+Q₁₁) от источника положительной теплоты естественного происхождения (внешней среды) — цикл (1₁ - 2₁ - 3₁ - 1₁);

- полное отключение источника положительной теплоты искусственного происхождения (+Q₁), положительная теплота (+Q₁₂) к рабочему телу в цикл подводится только от источника положительной теплоты естественного происхождения (внешней среды) в результате теплообмена между внешней средой и рабочим телом в полости цилиндра (тепловой поток от внешней среды к рабочему телу в полости цилиндра через крышку цилиндра при теплоизолированной внешней поверхности цилиндра и через крышку цилиндра и стенку цилиндра при отсутствии теплоизоляции внешней поверхности цилиндра) — цикл (1₂ - 2₂ - 3₂ - 1₂).

Теоретически, при отсутствии механических и тепловых потерь, тепловой цикл (1₂ - 2₂ - 3₂ - 1₂) также совершает полезную работу по отношению к внешней среде, как и тепловой цикл (1 - 2 - 3 - 1), хотя практическое осуществление такого действия сопряжено с определёнными сложностями.

Пример

На один (общий) силовой вал задействованы «Нагрузка - 1 кВт», «Приводной поршневой двигатель (ДВПТ) - 1 кВт», «Дополнительный электродвигатель - 1 кВт».

К «Приводному поршневому двигателю (ДВПТ) - 1 кВт» вначале подводится положительная теплота (+Q₁) от искусственного источника положительной теплоты, обеспечивающая получение и передачу на вал полезной мощности 1 кВт, необходимой для привода «Нагрузки - 1 кВт», потребление электроэнергии «Дополнительным электродвигателем - 1 кВт» из электросети при этом равно нулю — тепловой цикл (1 - 2 - 3 - 1).

При подводе к «Приводному поршневому двигателю (ДВПТ) - 1 кВт» положительной теплоты (+Q₁₂) от источника положительной теплоты естественного происхождения (внешней среды) и при наличии механических и тепловых потерь в «Приводном поршневом двигателе (ДВПТ) - 1 кВт», мощности, развиваемой «Приводным поршневым двигателем (ДВПТ) - 1 кВт» будет не хватать для привода в действие «Нагрузки - 1 кВт» и недостающая мощность будет восполняться «Дополнительным электродвигателем - 1 кВт» — тепловой цикл (1₂ - 2₂ - 3₂ - 1₂).

В чём смысл такого подхода?

В том, что «Дополнительный электродвигатель - 1 кВт» будет забирать из электросети не 1 кВт, а меньшую мощность, скажем, 0,9 кВт, а недостающие 0,1 кВт будут восполняться «Приводным поршневым двигателем (ДВПТ) - 1 кВт» при использовании (привлечении) положительной теплоты (+Q₁₂) от естественного источника положительной теплоты (внешней среды), т. е. будет обеспечиваться экономия невосполняемых энергоресурсов.

     Рис. 5. Силовая диаграмма развития прямого теплового цикла поршневого двигателя (1 - 2 - 3 - 1) в прямой тепловой цикл поршневого двигателя (1 - 2 - 3 - 4 - 1) с подводом положительной теплоты (+Q₁) и отрицательной теплоты (-Q₂) при отсутствии тепловых потерь

1 - 2 - термодинамический процесс сжатия рабочего тела в поршневом двигателе;

2 - 3 - термодинамический процесс подвода положительной теплоты (+Q₁) в тепловой цикл поршневого двигателя (нагрев рабочего тела) при нахождении поршня на линии ПМО;

3 - 4 - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела в поршневом двигателе;

4 - 1 - термодинамический процесс подвода отрицательной теплоты (-Q₂) в тепловой цикл поршневого двигателя (охлаждение рабочего тела) при нахождении поршня на линии ПБО;

(L₀₁) - суммарная работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) и по выталкиванию в окружающую цилиндр внешнюю среду той части внешней среды, которая находится в цилиндре с внешней стороны поршня и выталкивается в окружающую цилиндр внешнюю среду внешней стороной поршня при движении поршня от ПМО к ПБО, за счёт внутренней энергии закрытой термодинамической системы, при движении поршня от ПМО к ПБО;

(+L₁) - работа, передаваемая прямым тепловым циклом внешней среде — рабочий ход рабочего тела (движение поршня от ПМО к ПБО);

(L₀₂) - работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) за счёт энергии подводимой к закрытой термодинамической системе от внешней среды, в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(-L₂) - работа, подводимая к прямому тепловому циклу от внешней среды — сжатие рабочего тела (движение поршня от ПБО к ПМО),  в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела.

Наружная поверхность цилиндра тепло изолирована, за исключением крышки цилиндра, через которую подводится положительная теплота (+Q₁) при нахождении поршня в ПМО (нагрев рабочего тела при нахождении поршня в ПМО) и кольцевой полосы наружной поверхности цилиндра в окрестностях ПБО, через которую подводится отрицательная теплота (-Q₂) при нахождении поршня в ПБО (охлаждение рабочего тела при нахождении поршня в ПБО).

Подвод в цикл положительной теплоты (+Q₁) осуществляется от «источника положительной теплоты искусственного происхождения (+Q₁)» при нахождении поршня в ПМО.

Подвод в цикл отрицательной теплоты (-Q₂) осуществляется от «источника отрицательной теплоты искусственного происхождения (-Q₂)» при нахождении поршня в ПБО.

Под термином (словосочетанием) «источник отрицательной теплоты искусственного происхождения (-Q₂)» будем понимать источник отрицательной теплоты (-Q₂), температура которого ниже температуры внешней среды.

Под термином (словосочетанием) «источник отрицательной теплоты естественного происхождения (-Q₂)» в качестве источника отрицательной теплоты (-Q₂) будем понимать внешнюю среду, температура которой ниже температуры рабочего тела в полости цилиндра и существует тепловой поток от рабочего тела в полости цилиндра к внешней среде.

Возможен, также, и вариант работы поршневого двигателя (ДВПТ) при подводе в цикл положительной теплоты (+Q₁) от «источника положительной теплоты естественного происхождения (+Q₁)» (например, от тёплого атмосферного воздуха) и отрицательной теплоты (-Q₂) от «источника отрицательной теплоты естественного происхождения (-Q₂)» (например, от холодной воды горной реки).

Развитие тепловых циклов теплонасосно-холодильных поршневых машин

     Рис. 6. Силовая диаграмма развития прямого теплового цикла поршневого двигателя (1 - 2 - 3 - 1) в переходный тепловой цикл (1 - 2 - 3 - 4 - 1) по преобразованию прямого теплового цикла поршневого двигателя в обратный тепловой цикл поршневой теплонасосно-холодильной машины.

1 - 2 - термодинамический процесс сжатия рабочего тела в поршневом двигателе;

2 - 3 - термодинамический процесс подвода положительной теплоты (+Q₁) в тепловой цикл поршневого двигателя (нагрев рабочего тела) при нахождении поршня на линии ПМО;

3 - 4 - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела в поршневом двигателе;

4 - 1 - тепловые потери прямого теплового цикла поршневого двигателя по отрицательной теплоте (-Q'₂) при нахождении поршня в ПБО;

(L₀₁) - суммарная работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) и по выталкиванию в окружающую цилиндр внешнюю среду той части внешней среды, которая находится в цилиндре с внешней стороны поршня и выталкивается в окружающую цилиндр внешнюю среду внешней стороной поршня при движении поршня от ПМО к ПБО, за счёт внутренней энергии закрытой термодинамической системы, при движении поршня от ПМО к ПБО;

(+L₁) - работа, передаваемая переходным тепловым циклом внешней среде — рабочий ход рабочего тела (движение поршня от ПМО к ПБО);

(L₀₂) - работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) за счёт энергии подводимой к закрытой термодинамической системе от внешней среды, в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(-L₂) - работа подводимая к переходному тепловому циклу от внешней среды — сжатие рабочего тела (движение поршня от ПБО к ПМО),  в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела.

Наружная поверхность цилиндра теплоизолирована, за исключением крышки цилиндра, через которую подводится положительная теплота (+Q₁) при нахождении поршня в ПМО (нагрев рабочего тела при нахождении поршня в ПМО) и кольцевой полосы наружной поверхности цилиндра в окрестностях ПБО, через которую отводится отрицательная теплота (-Q'₂) от рабочего тела в полости цилиндра при нахождении поршня в ПБО (нагрев рабочего тела при нахождении поршня в ПБО — тепловые потери прямого теплового цикла поршневого двигателя по отрицательной теплоте (-Q'₂) при нахождении поршня в ПБО).

С одной стороны.

Отвод от рабочего тела отрицательной теплоты (-Q'₂) при нахождении поршня в ПБО (нагрев рабочего тела при нахождении поршня в ПБО), есть не что иное как тепловые потери прямого теплового цикла поршневого двигателя по отрицательной теплоте.

С другой стороны.

Отток холода от рабочего тела во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО (охлаждение внешней среды и, соответственно, нагрев рабочего тела при нахождении поршня в ПБО), есть не что иное как элемент обратного теплового цикла холодильной (теплонасосно-холодильной) поршневой машины, т. е. на рис. 6 показано начало перехода прямого теплового цикла поршневого двигателя в обратный тепловой цикл холодильной (теплонасосно-холодильной) поршневой машины.

Переход от прямого теплового (двигательного) цикла к обратному тепловому (теплонасосно-холодильному) циклу начинается с момента появления тепловых потерь у прямого теплового цикла по подводимой отрицательной теплоте (нагрев рабочего тела при нахождении поршня в ПБО) — вначале появляются тепловые потери у двигательного цикла, которые по мере развития превращаются в тепловой цикл теплонасосно-холодильной поршневой машины.

Для обратного теплового цикла поршневой машины отток холода от рабочего тела во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО обозначим символом (-Q₄).

     Рис. 7. Силовая диаграмма развития прямого теплового цикла поршневого двигателя в обратный тепловой цикл поршневой холодильной машины с получением холода.

1 - 2 - термодинамический процесс сжатия рабочего тела в поршневой холодильной машине;

2 - 3 - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела в поршневой холодильной машине;

3 - 1 - отток холода (-Q₄) от рабочего тела во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО.

(L₀₃) - работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) за счёт энергии подводимой к закрытой термодинамической системе от внешней среды, в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(-L₃) - работа подводимая к обратному тепловому циклу от внешней среды — сжатие рабочего тела (движение поршня от ПБО к ПМО),  в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(L₀₄) - суммарная работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) и по выталкиванию в окружающую цилиндр внешнюю среду той части внешней среды, которая находится в цилиндре с внешней стороны поршня и выталкивается в окружающую цилиндр внешнюю среду внешней стороной поршня при движении поршня от ПМО к ПБО, за счёт внутренней энергии закрытой термодинамической системы, при движении поршня от ПМО к ПБО;

(+L₄) - работа, передаваемая обратным тепловым циклом внешней среде — рабочий ход рабочего тела (движение поршня от ПМО к ПБО).

При увеличении тепловых потерь прямого теплового цикла поршневого двигателя по отрицательной теплоте (-Q'₂) при положении поршня в ПБО, т. е. при увеличении отвода отрицательной теплоты (-Q'₂) от прямого теплового цикла поршневого двигателя при нахождении поршня в ПБО (для элемента обратного теплового цикла холодильной (теплонасосно-холодильной) поршневой машины — увеличение оттока холода (-Q₄) от рабочего тела в полости цилиндра во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО) происходит полный (окончательный, полноформатный) переход прямого теплового цикла поршневого двигателя в обратный тепловой цикл поршневой холодильной машины в момент исчезновения подвода в тепловой цикл поршневого двигателя положительной теплоты (+Q₁) при нахождении поршня в ПМО (исчезновение элемента прямого теплового цикла поршневого двигателя при уменьшении подводимой положительной теплоты (+Q₁) до нуля, (+Q₁) = 0).

Наружная поверхность цилиндра теплоизолирована за исключением кольцевой полосы наружной поверхности цилиндра в окрестностях ПБО, через которую происходит отток холода (-Q₄) от рабочего тела в полости цилиндра при нахождении поршня в ПБО.

Рис. 8. Силовая диаграмма развития прямого теплового цикла поршневого двигателя в обратный тепловой цикл поршневой теплонасосно-холодильной машины.

1 - 2 - термодинамический процесс сжатия рабочего тела в поршневой теплонасосно-холодильной машине;

2 - 3 - отток тепла (+Q₃) от рабочего тела во внешнюю среду при нахождении поршня в ПМО;

3 - 4 - термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела в поршневой теплонасосно-холодильной машине;

4 - 1 - отток холода (-Q₄) от рабочего тела во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО;

(L₀₃) - работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) за счёт энергии подводимой к закрытой термодинамической системе от внешней среды, в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(-L₃) - работа подводимая к обратному тепловому циклу от внешней среды — сжатие рабочего тела (движение поршня от ПБО к ПМО),  в т. ч. и за счёт энергии закрытой термодинамической системы, переданной ранее внешней среде при рабочем ходе рабочего тела;

(L₀₄) - суммарная работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (во внутреннем пространстве цилиндра) и по выталкиванию в окружающую цилиндр внешнюю среду той части внешней среды, которая находится в цилиндре с внешней стороны поршня и выталкивается в окружающую цилиндр внешнюю среду внешней стороной поршня при движении поршня от ПМО к ПБО, за счёт внутренней энергии закрытой термодинамической системы, при движении поршня от ПМО к ПБО;

(+L₄) - работа, передаваемая обратным тепловым циклом внешней среде — рабочий ход рабочего тела (движение поршня от ПМО к ПБО).

При дальнейшем увеличении оттока холода (-Q₄) от рабочего тела в полости цилиндра во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО (увеличение нагрева рабочего тела в полости цилиндра при нахождении поршня в ПБО), появляется отток тепла (+Q₃) от рабочего тела в полости цилиндра во внешнюю среду при нахождении поршня в ПМО, т. е. происходит развитие холодильного цикла в теплонасосно-холодильный цикл.

Наружная поверхность цилиндра теплоизолирована за исключением кольцевой полосы наружной поверхности цилиндра в окрестностях ПБО, через которую происходит отток холода (-Q₄) от рабочего тела в полости цилиндра во внешнюю среду при нахождении поршня в ПБО и крышки цилиндра через которую происходит отток тепла (+Q₃) от рабочего тела в полости цилиндра во внешнюю среду при нахождении поршня в ПМО.

Примечание

В качестве допущения принимаем, что в рассматриваемых примерах не учитывается влияние Земного притяжения (гравитационной составляющей) на величину внутренней энергии закрытой термодинамической системы при перемещениях рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы.

Выводы

Необходимы дополнительные теоретические и экспериментальные работы по исследованию влияния работы по перемещению рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы (в полости цилиндра поршневого двигателя, в полости цилиндра теплонасосно-холодильной поршневой машины) на термодинамические процессы, происходящие в тепловых циклах поршневых машин.

Недооценивать влияние работы по перемещению рабочего тела - реального газа во внутреннем пространстве цилиндра поршневых машин на работу поршневых машин в целом — неприемлемо, особенно для ДВПТ.

Список литературы

1. Физический энциклопедический словарь,

М., «Советская энциклопедия», 1984. - 944с.

2. АН СССР, Комитет научно-технической терминологии, Сборник определений,

Выпуск 103,

М., «Наука», 1984. - 42с.

3. Г. Д. Бэр,

Техническая термодинамика,

М., Издательство «МИР», 1977. - 520с.

4. В. А. Кириллин, В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин,

Техническая термодинамика,

М., Энергоатомиздат, 1983. - 414с.

5. В. И. Крутов,

Техническая термодинамика,

М., «Высшая школа», 1981. - 440с.

6. http://ve.academic.ru/ диаграмма паровой машины.

7. https://ru.wikisource.org/wiki/ВЭ/ВТ/Диаграмма_паровой_машины