Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 68
Текст из файла (страница 68)
По йз-диаграмме определяем Ь, в точке пересечения рт и ай Ь, = 3468 кДж/кг. / В дальнейшем из атой точки опускаем перпендикуляр до пересечения с изобарой рз = 1 бар и по диаграмме определяем о = 1 8 мз/кг; т = 115 'С; Ьз = 2708 кДж!кг, "г — аз 3468 — 2708 760 ц - Ь, 4П868.г - 3468 4 1868.60 - 3216,8 - ~ ~~~: 1, = Ь, — й = 3468 — 2708 = 760 кДж/кг. 3. Насколько улучшится теоретическое использование теп- ~ лоты в цикле Ренкина для сухого насыщенного пара, работающего в пределах рз .= 10 бар, р, = О,З бар, если: Гзагзгз Цикгы заро«изогыхусганзвок а) понизить давление в конденсаторе до рг .= 0,1 бар; б) повысить давление в котле до р" = 15 бар? Ответ дать в процентах.
Температуру воды принять равной т„ы =- 50 'С. Решение. Во всех случаях КПД будем определять по общей формуле (12.8). Г Для начального цикла определяем КПД с использованием Ьз диаграммы: дг — бг 2776 — 2216 а — 4,1868 г„„2776 — 4,1868 50 ,/ При понижении давления точка 1 остается на месте, а точка 2' будет ниже и определится кзк пересечение перпендикуляра, проведенного иа точки 1, с изобарой р' .= 0,1 бар. В данном случае дг 2776 — 2088 Ьг — 4,1868.
Г,„2776 — 4,1868 50 При повышении давления в котле до рг' .=. 15 бар и при заданном условии, что пар сухой насыщенный (х = 1), линия адиабатного расширения сместится влево, и точка конечного расширения будет лежать ниже, чем в исходном цикле: бг 2788 — 1994 а," — 4,1868 г „2788 — зцббб к' Следовательно, понижение давления з конденсаторе дает прирост КПД на 5'й, а повышение давления в котле, приводящее в данном случае к повышению начальной знтальпии и понижению знтальпии в конце расширения, дает прирост КПД на 976.
Глава 13 Безмашинное преобразование энергии 1 3. 1. Классификация и эффективность процессов преобразования В полезную внешнюю работу может быть преобразована не только теплота, но и другие виды энергии, например электромагнитная (лучистая), внутренняя энергия химически реагирующих веществ и т. д. При этом полезная внешняя работа может получаться в виде энергии электрического тока. Устройства, которые превращают энергию различных видов, но не тепловую, непосредственно в электричество, называются установками прямого преобразования энергии. К этим устройствам относятся: ° электрохимический генератор (топливный элемент); ° термоэлектрический генератор; ° фотоэлектрический преобразователь (солнечная батарея); ° термоэлектронный генератор (термоамиссиониый преобразователь); ° магнитогидродинамический (МГД) генератор (условно).
Процесс преобразования энергии в перечисленных вылив устройствах не обязательно должен бьгть циклическим, как это имеет место в любых проточных двигателях (ЖРД, ВРД). Непрерывность действия преобразователей обеспечивается своевременньпг пополнением запасов рабочих веществ или потоками энергии. Невамкнутость процесса прямого преобразования энергии уменьшает ограничения, налагаемые вторым законом термодинамики на КПД теплового двигателя, иа-за необходимости передачи части теплоты 9 от ТРТ к теплоприемиику, например к окружающей среде. 433 28 — 5580 Глава 13. Беэиааэиннселресбраэсвание энергии Несмотря иа различие тепловых двигателей (в которых теплота, выделившаяся при сгорании топлива, частично превращается в полезную внешнюю работу, а частично передается телам-теплоприемникам в качестве компенсации) и прямых преобразователей энергии, выражения для их КПД могут быть представлены в одинаковом виде, если под КПД понимать отношение полученного полезного эффекта (как правило, внешней полезной работы) к первичным затратам тепловой или других видов энергии.
Для удобства дальнейших преобразований введем понятие потока энергии Ул — величины, соответствующей энергии в единицу времени. Если число циклов теплового двигателя в единицу времани составляет М, то поток энергии в виде теплоты, подведенной от источника теплоты к ТРТ за единицу времени, будет,Ул = эв'91, а поток энергии, отводимой в единицу времени в виде теплоты от ТРТ к теплоприемнику (окружающей среде) — Ус = Мвввэ. С учетом знаков теплот КПД теплового двигателя запишется в виде 131 - с)э е)а дгэра 3с цг= = 1 — — = 1 — — = 1 — —. (13 1) 13, Ю лге), Г В случае прямого преобразования энергии КПД имеет вид (13.2) Ч = Уьгг Гл где 1 — полезная внешняя работа за единицу времени, т. е.
мощность; 3 — поток энергии, поступаемый в преобразователь. Согласно первому закону термодинамики полезная внешняя работа преобразователя равна разности между вводимой в преобразователь энергии Кх и теплотой, которую преобразователь отдает внешней среде Ус, т. е. (13.3) Подставив это выражение в (13. 2), получим для рассматриваемого случая ц = 1 -,Ус!,7х, (13.4) что совпадает с выражением (13.1) для теплового двигателя.
434 23.2 тсллненыеэлементы Общее выражение для КПД теплового двигагеля и прямого преобразователя энергии в случае протекания в них обратимых процессов может быть получено с использованием понятия потоке эплпропии — ее изменения в элементе в единицу времени тг ДЗ (~! ~2)' 1 Коли отвод теплоты от двигателя или преобразователя проиаводится к окружающей среде с температурой То, тогда Ар = ЛРТо(32 Кг) =' Тора (13. 3) где Лг — число циклов в двигателе за единицу времени; Де = Л (ег' В рассматриваемом случае выражение КПД для обратимых процессов в двигателе и прямом преобразователе энергии будет иметь вид у о'гз ц =-1- —. Iл (13.3) В случае протекания в двигателе или преобразователе необратимых процессов отводимая к окружающей среде теплота онг ВОЗРаетаЕт На ВЕЛИЧИНУ ТО ЛЯ,м„еи т. Е.
(13. 7) Подставляя это выражение в общую запись КПД, получим выражение для эффективного КПД: 23* „„Тоав„, г(, =1 — — — бд — —— или 1 о'~э т оаэ ор Р (13.9) 13.2. Топливные элементы 433 го Топливный элемент представляет собой электрохимическое устройство, в котором химическая энергия топлива превращается непосредственно в электрическую энергию. В качестве Глава 13. Безмашинное преобразование энергии топлива здесь используются жидкие и газообразные активные вещества, например кислород и водород. За счет подвода энергии извне эти вещества в топливных элементах окисляются и дают электрический ток, т.
е. протекает процесс, обратный электролизу воды. В схеме с жидким электролитом (рис. 13.1), например с раствором КОН, происходят следующие реакции: на водородном электроде 4: Н, + 20Н = 2Н,О+ 2е, на кислородном электроде 3: — Оз + НзО+ 2е = 20Н . 1 Суммарная реакция имеет вид 2Нз+ Оз = 2Н~О. Как видно, в результате этих реакций электрод 4, пропускающий восстановитель 1 — газообразный водород, заряжается отрицательно, а электрод 3, контактирующий с окислителем 2 (газообразным кислородом), заряжается положительно.
При замыкании внешней цепи 6 образовавшаяся разность потенциалов обеспечивает появление электрического тока, а перемещение ионов в жидком электролите б замыкает цепь электрического тока. В настоящее время более распространен топливный элемент с твердым электролитом, представленный на рис. 13.2. Наличие ионообменной мембраны 7, разделяющей электроды 4 Рис. 13.2 Рис. 13.1 436 13.2. Топливные элементы и 3, которая пропускает только ионы водорода Н+, приводит к протеканию следующих реакций: на водородном электроде 4: Н = 2Н++ 2е 2 и на кислородном электроде 3: 2Н" + 2е + 202 = Н20. 1 Суммарная реакция имеет вид Н,+-О,=Н,О, т. е.
практически ничем не отличается от суммарной реакции в топливном элементе с жидким электролитом. При этом в ходе химической реакции получается электрическая энергия и тепловая энергия, но затрачивается механическая энергия, связанная с вводом в элемент рабочих тел Н2 и О . Расчет тепловой энергии реализуется методами химической термодинамики, излагаемой в гл. 15, ч. 2. Эффективность топливного элемента будет оцениваться выражением (13.2), где поток подведенной к элементу энергии Уе будет определяться убылью энтальпий химических реагентов, отнесенной к единице времени 1 ~е т ~01 Н2)' (13.10) Поток полезной внешней работы У будет определяться произведением силы тока 1 на разность потенциалов ЬЕ: ,У =1 ЛЕ. (13. 11) 437 Анализируя работу топливного элемента, можно сделать вывод, что по механизму преобразования энергии он подобен гальваническому элементу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
