Основные положения термодинамического анализа тепловых машин

Тепловая машина – термодинамическая система непрерывного действия, осуществляющая круговой процесс (цикл), в результате которого подведенная теплота превращается в работу (машины – двигатели) или теплота передается от менее нагретого рабочего тела к более нагретому телу (окружающей среде) машины – холодильники.

Для того, чтобы осуществить цикл необходимо иметь два источника теплоты высокотемпературный (ВИТ) и низкотемпературный (НИТ).

Циклы бывают обратимые и необратимые. Цикл, состоящий из равновесных обратимых процессов, называют обратимым. Рабочее тело в таком процессе не должно подвергаться химическим изменениям.

Прямой цикл (цикл теплового двигателя)– цикл, в результате которого получается положительная работа. В нем работа расширения больше работы сжатия. Т.е. графически, в прямом цикле кривые процессов расширения лежат выше кривых процессов сжатия.

В результате осуществления прямого цикла будет вовне отдана положительная работа

Соотношение между количествами теплоты и и положительной работой определяется первым законом ТД

Так как в цикле конечное состояние тела совпадает с начальным, то изменение внутренней энергии рабочего тела не происходит и равно нулю ( ), поэтому

Эффективность прямого цикла оценивается величиной его термического коэффициента полезного действия – КПД, который показывает какая часть подведенной теплоты превращается в работу.

Значение является показателем совершенства цикла теплового двигателя. Величина термического КПД цикла всегда меньше единицы и могла бы быть равна единицы, если бы или , чего осуществить нельзя.

Полученное уравнение показывает, что всю подведенную в цикле к рабочему телу теплоту полностью превратить в работу невозможно без отвода некоторого количества тепла в НИТ.

Для цикла, расширение и сжатее в котором осуществляется в адиабатных процессах, КПД можно выразить через среднеинтегральную температуру:

Обратный цикл (цикл холодильной машины) – это цикл, в результате которого расходуется работа. В нем работа сжатия больше работы расширения. Т.е. кривые процессов расширения лежат ниже кривых процессов сжатия, цикл осуществляется против часовой стрелки. В обратном цикле теплота от источника теплоты с более низкой температурой (НИТ) передается высокотемпературному источнику (ВИТ) за счет работы.

Работа цикла

,

.

Эффективность обратного цикла оценивается величиной холодильного коэффициента

Холодильный коэффициент показывает, какое количество теплоты отнимается от теплоприемника при затрате одной единицы работы. Его величина, как правило, больше единицы.

Цели термодинамического анализа:

- расчет основных параметров в характерных точках процесса для дальнейших прочностных и тепловых расчетов;

- оценка эффективности работы машины;

- определение основных размеров тепловой машины;

- определение мощности тепловой машины.

Основные допущения при расчете тепловых машин:

- рабочим телом тепловой машины является идеальный газ постоянного состава, постоянных физических свойств и постоянной массы;

- рассматриваются только основные идеальные обратимые процессы;

- реальные процессы горения заменяются идеальным процессом подвода тепла к рабочему телу;

- не являющийся термодинамическим процесс выброса продуктов сгорания из тепловой машины заменяются идеальным процессом отвода тепла от рабочего тела.

Отличие реальных процессов от идеальных учитывается введением различных коэффициентов потерь или КПД (КПД механический, гидравлический, термодинамический и т.д.).

Цикл Карно.

Основоположник термодинамики Карно предложил предельные идеальные циклы тепловых машин. Предельным случаем будет тот, когда вся теплота в цикле будет подводиться и отводиться в изотермных процессах.

Прямой цикл Карно состоит из двух изотермических процессов подвода и отвода тепла и двух адиабатных процессов расширения и сжатия.

КПД цикла Карно определяется на основе уравнения КПД любой тепловой машины []:

Поскольку , получаем:

Термический КПД цикла Карно не зависит от рабочего тела.

КПД зависит только от перепада температур, чем он больше, тем больше КПД

т.к. или неосуществимо.

Если , то , т.е. при термодинамическом равновесии теплоту невозможно перевести в работу.

всегда больше любой машины, работающей в том же диапазоне температур. Поэтому сравнение термических КПД любого цикла и цикла Карно позволяет делать заключение о степени совершенства использования теплоты в машине, работающей по данному циклу.

Обратный цикл Карно.

Холодильный коэффициент для обратного цикла Карно может быть получен на основе тех же соображений, что и КПД для прямого цикла:

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно зависит от абсолютных температур и источников теплоты и обладает наибольшим значением по сравнению с холодильным коэффициентом других циклов, протекающих в тех же пределах температур.