Необходимые условия работы тепловых машин

 

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчёта параметров тепловых машин. Тепловые машины, или тепловые двигатели, предназначены для получения технической (полезной) работы за счёт тепла, выделяемого вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных реакций или по другим причинам, например нагрева солнечной энергией.

Из рассмотрения основных принципов работы тепловых машин вне зависимости от их конструктивного исполнения следует, что непрерывное превращение тепловой энергии в механическую работу совершается в них при помощи вспомогательного тела, получившего название в термодинамике рабочего тела. Как было отмечено ранее, наиболее подходящими в качестве рабочих тел по своим физическим свойствам является газы и пары жидкостей, так как они характеризуются наибольшей способностью к изменению своих объёмов при изменении Р и Т.

Кроме того, работа этих машин возможна только при соблюдении двух непременных условий. Первое условие состоит в том, что любая тепловая машина должна работать циклично, то есть рабочее тело, совершая за определённый промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние. Этот цикл должен повторяться в течение всего периода работы машины, причём в зависимости от конструктивного исполнения тепловой машины отдельные части цикла могут осуществляться в разных её составных частях. При отсутствии цикла, например при любом процессе только расширения газа в рабочей камере (цилиндр двигателя внутреннего сгорания, каналы рабочих лопаток паровых и газовых турбин) тепловой машины, соответственно наступит момент, когда Р и Т рабочего тела станут равными с Р и Т окружающей среды, и на этом получение работы прекратится. В этом случае можно получить лишь ограниченное количество работы. Для повторного получения работы необходимо либо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состояние, либо каким-то образом удалить из рабочей камеры отработанное рабочее тело и заполнить эту камеру новой порцией этого тела. С точки зрения термодинамического анализа работы тепловой машины вовсе не обязательно иметь дело с новыми порциями рабочего тела, так как для процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу безразлично, остаётся ли в рабочей камера прежнее рабочее тело или вводится новое. Поэтому можно исходить из того, что в цилиндре тепловой машины находится одно и то же количество рабочего тела, которое, циклично проходя через ряд изменений своего состояния из начального в конечное и обратно, преобразует тепловую энергию в механическую работу.



 
 
v
P
v2  
v1  
 
Р1
Р2
q1
q2

 


Рис.6.6.1. Цикл тепловой машины

 

Рассмотрим круговой цикл тепловой машины, изображённый на рисунке. В процессе расширения рабочего тела по линии 1-3-2 к нему от источника тепловой энергии с температурой Т1, то есть от горячего источника тепла, подводится тепло в количестве q1. В результате имеет место дополнительное увеличение объёма рабочего тела. Таким образом, расширение рабочего тела осуществляется как за счёт снижения давления в рабочей камере, так и за счёт повышения его температуры. Однако для получения механической работы процесс расширения нагретого рабочего тела в рабочей камере должен осуществляться под определённым противодавлением со стороны подвижных поверхностей рабочей камеры. При этом получается положительная удельная механическая работа l1, а именно работа расширения рабочего тела, эквивалентна площади S1-3-2-6-5-1. При достижении точки 2 рабочее тело должно быть возвращено в первоначальное состояние, то есть в точку 1. Для этого нужно сжать рабочее тело.

Для того чтобы тепловая машина непрерывно производила механическую энергию, работа расширения рабочего тела должна быть больше работы его сжатия. Поэтому кривая сжатия 2-4-1 должна лежать ниже кривой расширения. Если процесс сжатия пойдёт по линии 2-3-1, то никакой технической, то есть полезной, работы получено не будет, так как в этом случае будет l1 = l2, где l2 – отрицательная удельная работа сжатия рабочего тела. Поэтому для получения полезной работы необходимо в процессе расширения понизить давление рабочего тела за счёт отвода от него части тепла q2к источнику тепла с более низкой температурой Т2, то есть к холодному источнику тепла. Соответственно, l2 эквивалентна площади S2-4-1-5-6-2. В результате каждый килограмм рабочего тела совершает за цикл полезную работу lц, которая эквивалентна площади S1-3-2-4-1, ограниченной контуром цикла. Таким образом, для непрерывной работы тепловой машины необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится тепло q1 и отводится от него к холодному источнику тепло q2. Наличие, по меньшей мере, двух источников тепла с разными температурами - горячего и холодного – является вторым необходимым условием работы тепловых машин.

Чрезвычайно важно подчеркнуть, что всё тепло q1, полученное рабочим телом от горячего источника, не может быть превращено в работу. Часть q1, то есть q2, обязательно должна быть отдана другому телу (телам) с более низкой температурой. В качестве такого тела может выступать атмосферный воздух, большой объём воды и тому подобное. Многочисленные попытки создать тепловую машину, в которой всё тепло q1 превращалось бы в работу, то есть имело бы место равенство q2 = 0, неизбежно оканчивались провалом. Такая машина, которая могла бы превращать всё подводимое к ней тепло в работу, получила название вечного двигателя второго рода, или перпетуум мобиле(perpetuum mobile) второго рода. Весь накопленный наукой опытный материал говорит о том, что такой двигатель невозможен.

Ещё раз отметим, что наличие холодного источника тепла и передача ему части полученного от горячего источника тепла является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения непрерывной механической работы необходимо наличие потока энергии, в данном случае потока тепла. Если же холодный источник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придёт в тепловое равновесие с горячим источником и поток тепла прекратится.

Уравнение 1-го закона термодинамики для процессов 1-3-2 и 2-4-1 соответственно будет иметь вид:

 

q1 = + Du + l1 ;

Величины q2 иl2 необходимо брать по модулю, что позволит избежать путаницы со знаками у q2, так как уходящее из системы тепло имеет знак минус. Внутренняя энергия рабочего тела за цикл не должна изменяться, и поэтому перед Duв уравнениях проставлены прямо противоположные алгебраические знаки. Сложив эти уравнения, получим:

 

q1 - |q2| = qц= l1 - ½l2½ = lц, (6.6.1)

 

где qц- часть тепла горячего источника, превращаемая в цикле в работу; lц – работа цикла 1-3-2-4-1.

Так как в рассматриваемом случае l1 > l2, то работа цикла положительна. Она, как показывает (6.6.1), равна разности подведённого и отведённого в цикле тепла.

Эффективность преобразования q1 в lц оценивается термическим (термодинамическим, тепловым) КПД цикла тепловой машины:

 

. (6.6.2)

 

Таким образом, термический КПД цикла тепловой машины есть отношение полученной в цикле полезной работы lцко всему введённому в рабочее тело теплу q1.

Цикл, состоящий из обратимых процессов, называется идеальным. При этом рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям. Если хотя бы один из процессов, входящих в состав цикла, будет необратимым, то цикл будет уже не идеальным. Для выполнения идеального цикла в тепловой машине (двигателе) должны полностью отсутствовать тепловые и механические потери. Такая машина получила название идеальной тепловой машины (идеального теплового двигателя).

Так как ½q2½>0, то hТ <1,0, то есть КПД тепловой машины, даже идеальной, всегда будет меньше 1,0. Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, то есть необратимые, процессы реальных тепловых машин путём введения опытных поправочных коэффициентов.

Соотношение (6.6.2) является математическим выражением принципа эквивалентности тепловой и механической энергии. Если исключить из схемы тепловой машины холодный источник, то формально принцип эквивалентности не будет нарушен. Однако, как уже отмечалось выше, такая машина работать не будет.

Циклы, в результате которых получается положительная работа, то есть когда l1 > l2, называются прямыми циклами, или циклами теплового двигателя. По этим циклам работают двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые и паровые турбины и так далее.

Если цикл, изображённый на рис.6.6.1, представить протекающим в обратном направлении, то есть по замкнутой кривой 1-4-2-3-1 (см. рис. 6.6.2), то для его осуществления необходимо уже затратить работу lц, которая будет уже отрицательной и эквивалентной площади S1-4-2-3-1. Охлаждаемым телом в такой машине является холодный источник тепла, а нагреваемым - окружающая среда, то есть горячий источник тепла. Такие циклы называются циклами холодильной машины, или холодильными (обратными) циклами.

Чтобы поддержать низкую температуру охлаждаемого тела, нужно непрерывно отводить от него тепло q2, которое поступает в рабочее тело от холодного источника. Этот отвод в холодильном цикле осуществляется в процессе 1-4-2 расширения рабочего тела, которое это тепло воспринимает и совершает при этом положительную работу l2, эквивалентную площади
S1-4-2-6-5-1. Возврат рабочего тела в исходное состояние происходит в процессе сжатия по кривой 2-3-1, расположенной над кривой процесса расширения, то есть в процессе, происходящем при более высоких температурных условиях. Это даёт возможность передавать отводимое от рабочего тела тепло q1 горячему источнику тепла, в качестве которого обычно выступает окружающая среда. На сжатие затрачивается отрицательная работа l1 определяемая на графике площадью S2-3-1-5-6-2.

v
 
 
P
v2  
v1  
 
Р1
Р2
q1
q2

 

 


Рис. 6.6.2. Цикл холодильной машины

Уравнение 1-го закона термодинамики для процессов 1-4-2 и 2-3-1 с учётом алгебраических знаков перед составляющими соответственно имеют вид:

q2 = +Du + l2 ; -½q1½= - Du - ½l1½ .

Сложение по частям обоих уравнений даёт:

 

q2 - ½q1½= - (½l1½ - l2) = -½lц½ (6.6.3)

или

 

½q1½= q2lц (6.6.4)

 

Это выражение показывает, что тепло q1, передаваемое горячему источнику тепла, складывается из тепла q2 , поступившего в рабочее тело из холодного источника тепла, и работы цикла lц. Так как ½l1½ > l2, то lц < 0 и, следовательно, для непрерывной работы холодильной машины необходимо затрачивать работу. Таким способом осуществляется передача тепла с низшего температурного уровня на высший, то есть производится охлаждение некоторых частей ОС и создаётся в нужном месте температура ниже температуры самой ОС. По холодильному (обратному циклу) работают холодильные машины, тепловые насосы и так далее.

 

 

Эффективность работы холодильной машины оценивается так называемым холодильным коэффициентом e, определяемым отношением отнятой от холодного источника ограниченной ёмкости полезного тепла q2 к затраченной работе lц:

 

. (6.6.5)

 

Холодильный коэффициент характеризует эффективность передачи тепла от холодного источника тепла к горячему источнику тепла. Он будет тем больше, чем большее количество тепла q2 будет взято от холодного источника тепла и передано горячему источнику тепла и чем меньше будет на это затрачено работы lц. В отличие от термического (термодинамического,теплового) КПДhТхолодильный коэффициент 𝜺 может быть больше, меньше и равным единице.

В холодильной машине q1выбрасывается в окружающую среду, являющуюся источником неограниченной ёмкости. Поэтому холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещённые в нём продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип динамического отопления был предложен У. Томсоном и положен в основу действия современных тепловых насосов. Тепловыми насосами являются машины, основным продуктом производства которых является тепло q1 , передаваемое в источник ограниченной ёмкости. Их эффективность оценивается отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение переданного потребителю тепла q1 к lц:

 

 

В этом случае тепло q2 отбирается от источника неограниченной ёмкости (атмосферный воздух, большие объёмы воды, породный массив).

Преимущество теплового насоса по сравнению с электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в тепло электрическая энергия, но и тепло, отобранное от окружающей среды. Поэтому эффективность тепловых насосов может быть гораздо выше эффективности электрических нагревателей.

Комбинация из цикла двигателя и циклов теплового насоса или холодильной установки представляет собой цикл теплового трансформатора, который позволяет перекачивать тепло от источника с одной Тк источнику с другой Т в ходе совмещённого цикла. Назначение теплового трансформатора – изменение потенциала тепла. Если трансформатор предназначен для получения тепла с более низкой Т, чем исходная Тгорячего источника, то такой трансформатор называется понижающим. Если в трансформаторе получено тепло при Т более высокой, чем исходное тепло, то такой трансформатор называется повышающим.

Таким образом, работа любой тепловой или холодильной машины возможна только при наличии двух источников тепла: горячего и холодного.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ | Физиологические основы машинного доения


Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 194; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2017 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.013 сек.