12-13 (1013744), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

У каждой из групп политроп имеется свой собственный закон распределения энергетических составляющих уравнения 1-го закона термодинамики и собственное значение показателя политропы .

I группа

При расширении газа с ростом ослабевает роль источника теплоты и увеличивается роль внутренней энергии в производстве механической работы.

II группа ( )

При расширении газа с ростом увеличивается доля теплоты, идущей на работу, и уменьшается доля теплоты, идущей на нагрев газа.

III группа ( )

При расширении газа с ростом уменьшается доля внутренней энергии, идущей на работу, и увеличивается доля внутренней энергии, отдаваемая холодильнику.

Глава 13. Тепловые машины и компрессоры

13.1. Классификация тепловых машин. Циклы замкнутые и разомкнутые, прямые и обратные

Тепловые машины подразделяются на тепловые двигатели и тепловые трансформаторы, к которым относятся холодильные установки и тепловые насосы. В тепловых двигателях происходит превращение теплоты в работы. Тепловые трансформаторы переносят тепловую энергию от холодных тел к горячим телам при затрате работы. На следующей схеме показано направление переноса теплоты от холодного тела к горячему телу при затрате работы в холодильной установке и тепловом насосе.

Окружающая среда является горячим телом в холодильных установках и холодным телом в тепловых насосах.

Тепловые машины используют в качестве рабочего тела либо газ, либо пар, которые изменяют свои параметры при изменении своего состояния по циклу.

Циклы тепловых двигателей – прямые циклы, требующие для своего осуществления затраты теплоты. В них линия расширения лежит выше линии сжатия в p-v координатах, т.е. прямые циклы направлены по часовой стрелке, как показано на рисунке

Циклы трансформаторов - обратные циклы, направленные против часовой стрелки в p-v координатах.

Циклы бывают замкнутые и разомкнутые. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) поршневых и реактивных двигателей являются разомкнутыми циклами. При термодинамических расчетах ДВС методом круговых процессов разомкнутые циклы этих двигателей условно рассматриваются как замкнутые циклы. Тепловые двигатели, работающие по замкнутому циклу, являются двигателями внешнего сгорания. Примером двигателя внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, в котором рабочее тело (гелий или водород) постоянно находится в замкнутом пространстве и изменяет свой объем при нагревании и охлаждении, а теплота образуется вне этого замкнутого пространства. Этот двигатель разработан Р.Стирлингом в 1816г. в Великобритании.

Принципиальная схема тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, имеет вид:

Для кругового процесса ∮du=0 и . Для теплового двигателя q₁ есть сумма теплот, подведенных за цикл к термодинамическому рабочему телу (ТРТ) от источника, а q₂ – сумма теплот, отведенных за цикл от ТРТ в холодильник. Результирующая работа двигателя за цикл - совершается за счет разности теплот .

Для теплового трансформатора:

q₁ - есть теплота, отводимая от ТРТ к горячему телу;

q₂ – теплота, подводимая от холодного тела к ТРТ;

l_ц<0 – работа, затрачиваемая ТС на перенос тепловой энергии от холодного тела к горячему телу;

-l_ц=-q₁+q₂ , или q₁=l_ц+q₂.

13.2. Термические коэффициенты, характеризующие работу тепловой машины. Термические коэффициенты машин, работающих по циклу Карно

Работа теплового двигателя характеризуется термическим коэффициентом полезного действия (кпд) прямого цикла:

Термический кпд показывает, какую долю теплоты, подводимой в цикле q₁, можно превратить в полезную механическую работу l_ц. Термический кпд прямого цикла характеризует экономичность теплового двигателя.

Работа холодильной установки характеризуется холодильным коэффициентом:

, который показывает сколько нужно затратить работы l_ц на перенос тепловой энергии от холодного тела к горячему телу (в окружающую среду).

Работа теплового насоса характеризуется нагревательным (отопительным) коэффициентом

.

Нагревательный коэффициент показывает, сколько необходимо затратить работы на перенос тепловой энергии в обогреваемое помещение (к горячему телу).

Определим выражения для расчета термических коэффициентов тепловых машин, работающих по циклу Карно.

13.2.1. Тепловой двигатель

Для теплового двигателя цикл Карно – прямой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм, а для тепловых трансформаторов используется обратный цикл Карно. Тепловые машины, работающие по циклу Карно, имеют наибольшие значения термических кпд по сравнению с любым другим циклом при одинаковых предельных температурах цикла Т₁ и Т₂.

Рассмотрим прямой цикл Карно.

Графически в p-v и T-s координатах этот цикл можно представить в виде:

где ab – адиабатное сжатие ТРТ;

bc – подвод теплоты q₁ в изотермическом процессе при Т₁=const;

cd – адиабатное расширение ТРТ;

da – отвод теплоты в холодильник при Т₂=const;

q₁ = площадь bсFEb – теплота, затраченная на совершение цикла .

q₂ = площадь adFЕa – теплота, отведенная в холодильник .

Тогда термический кпд прямого цикла Карно будет равен:

.

Таким образом, термический кпд цикла Карно зависит только от предельных температур источника и холодильника и не зависит от рода рабочего тела. (Первая теорема Карно). Температура Т₁ и Т₂ являются основными параметрами цикла Карно, которые полностью определяют этот цикл.

При Т₁=Т₂ термический кпд цикла Карно , т.е. превращение теплоты в работу невозможно.

При Т₂=0 или Т₁= , что невыполнимо. Следовательно, в цикле Карно термический кпд цикла всегда меньше единицы: . Таким образом, для прямого цикла Карно .

Любое заключение, вытекающее из анализа прямого цикла Карно, можно рассматривать как формулировку второго закона термодинамики.

13.2.2. Холодильная установка

Холодильная установка работает по обратному циклу Карно. Для его осуществления необходимо затратить работу (-l_ц).

Тогда холодильный коэффициент обратного цикла Карно будет равен:

, или

.

Если , то . Если , то . Тогда , где
Т₂ – температура холодильной камеры, Т₁ – температура окружающей среды.

13.2.3. Тепловой насос

Тепловой насос передает тепловую энергию в обогреваемое помещение с температурой Т₁, отбирая ее от окружающей среды с температурой Т₀=Т₂. Тогда термический кпд теплового насоса, работающего по обратному циклу Карно, будет равен:

.

Если , то . Если , то .

Если горячее тело имеет очень высокую температуру Т₁, то поступающая к нему теплота содержит в основном работу, а от холодного тела теплота практически не отбирается.

13.2.4. Регенеративные циклы

Регенеративные циклы не являются циклами Карно, но термические коэффициенты этих циклов идентичны термическим коэффициентам цикла Карно. В T-s координатах такие циклы состоят из двух изотерм и двух эквидистантных кривых. Так, для теплового двигателя, работающего по регенеративному циклу, имеем следующее изображение цикла в Т-s координатах:

В процесс cd теплота отбирается от ТРТ и отдается рабочему телу в процессе ab . Тогда получим выражение для расчета : .

13.2.5. Необратимый цикл Карно

В случае необратимого цикла Карно термический кпд будет меньше, чем термический кпд обратимого цикла, т.е.

.

Действительно, для обратимого цикла

, т.е. условия обратимости цикла: Т₂=Т_хол, Т₁=Т_ист. В случае необратимого цикла Т_ист>Т₁ и Т_хол<Т₂. Тогда имеем: и термический кпд необратимого цикла Карно, равный , будет меньше :

.

Таким образом, термический кпд необратимого цикла Карно, осуществляемого при конечных разностях температур (Т_ист-Т₁) и (Т₂-Т_хол), всегда будет меньше термического кпд обратимого цикла Карно, осуществляемого при тех же самых температурах источника и холодильника (вторая теорема Карно). Это положение обобщается и на произвольные необратимые циклы.

13.3. Газовые циклы поршневых двигателей

Циклы поршневых и реактивных двигателей будем рассматривать как условно замкнутые, идеальные, обратимые циклы., в которых рабочим телом является идеальный газ. При этом принимается, что теплота подводится к рабочему телу извне от внешнего источника и отводится в холодильник, т.е. в окружающую среду в условно замыкающем процессе. В этом случае для расчета процесса сгорания используется понятие теплотворной способности топлива, а энтальпия рабочего тела находится без учета энтальпии образования по формуле:

.

13.3.1. Цикл Отто

Четырехтактный газовый ДВС создан в 1876 году Н.А. Отто (1832-1891) Цикл Отто совершается в 4-х тактном тепловом двигателе внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторный ДВС) и кривошипно-шатунным механизмом. При этом поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре. Цикл Отто – прямой газовый изохорный цикл неполного расширения представлен в p-v координатах на следующем рисунке.

Характеристики

Список файлов книги