Термодинамические циклы машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Областное государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

«Новгородский химико-индустриальный техникум»

15.02.7 Автоматизация технологических процессов и производств

Реферат

По дисциплине: «Технологическое автоматизирование оборудования предприятий машиностроения»

На тему: «Термодинамические циклы машин»

Студент гр. 0АТП

Костюк Дмитрий Владимирович

Руководитель работы:

Гулецкий Евгений Николаевич

Великий Новгород 2022

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Термодинамические циклы -- круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия), совпадают.

Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых машинах для превращения тепла в механическую работу.

Компонентами любой тепловой машины являются рабочее тело, нагреватель и холодильник (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Обратимым называют цикл, который можно провести как в прямом, так и в обратном направлении в замкнутой системе. Суммарная энтропия системы при прохождении такого цикла не меняется. Единственным обратимым циклом для машины, в которой передача тепла осуществляется только между рабочим телом, нагревателем и холодильником, является Цикл Карно. Существуют также другие циклы (например, цикл Стирлинга и цикл Эрикссона), в которых обратимость достигается путём введения дополнительного теплового резервуара -- регенератора. Общим (т.е. указанные циклы частный случай) для всех этих циклов с регенерацией является Цикл Рейтлингера. Можно показать, что обратимые циклы обладают наибольшей эффективностью.

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона. Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты () у нагревателя и отдаёт количество теплоты холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом,

,

так как изменение внутренней энергии в круговом процессе равно нулю (это функция состояния).

Напомним, что работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

При этом нагреватель потратил энергию . Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен

.

2. ВЫЧИСЛЕНИЕ РАБОТЫ И КПД В ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОМ ЦИКЛЕ

Работа в термодинамическом цикле, по определению, равна

,

где -- контур цикла.

C другой стороны, в соответствии с первым началом термодинамики, можно записать

.

Аналогичным образом, количество теплоты, переданное нагревателем рабочему телу, равно

.

Отсюда видно, что наиболее удобными параметрами для описания состояния рабочего тела в термодинамическом цикле служат температура и энтропия.

3. ЦИКЛ КАРНО

Цикл Карно - это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу за счёт обмена теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой -- холодильником.

Поскольку идеальные процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности.

Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника. По этой причине, позволяя оценить верхний предел КПД тепловой машины, цикл Карно важен для теории тепловых машин. В то же время КПД цикла Карно настолько чувствителен к отклонениям от идеальности (потерям на трение), что данный цикл никогда не применяли в реальных тепловых машинах.

4. ОПИСАНИЕ ЦИКЛА КАРНО

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой {\displaystyle T_{H}}Тн, холодильника с температурой {\displaystyle T_{X}}Тх и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две -- при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T{\displaystyle T} (температура) и S{\displaystyle S} (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рисунке 1 -- процесс A>B). В начале процесса рабочее тело имеет температуру Тн {\displaystyle T_{H}}, то есть температуру нагревателя. При расширении рабочего тела его температура не падает за счет передачи от нагревателя количества теплоты Qн {\displaystyle Q_{H}}QQQQQ, то есть расширение происходит изотермически (при постоянной температуре) . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает. термодинамический теплота нагреватель изотермический

2. Адиабатическое расширение (на рисунке 1 -- процесс B>C). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника Тх{\displaystyle T_{X}}, тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рисунке 1 -- процесс C>D). Рабочее тело, имеющее температуру {\displaystyle T_{X}} Тх, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты Qх{\displaystyle Q_{X}}. Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рисунке 1 -- процесс D>A). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Рисунок 1. Цикл Карно в координатах T-S.

5. ОБРАТНЫЙ ЦИКЛ КАРНО

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно, состоящий из следующих стадий: адиабатического сжатия за счёт совершения работы (на рисунке 1 -- процесс C>B); изотермического сжатия с передачей теплоты более нагретому тепловому резервуару (на рисунке 1 -- процесс B>A); адиабатического расширения (на рисунке 1 -- процесс A>D); изотермического расширения с отводом теплоты от более холодного теплового резервуара (на рисунке 1 -- процесс D>C).

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно:

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику:

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен:

6. ТЕОРЕМЫ КАРНО

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно. Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов.

Рисунок 2. Цикл Карно на термодинамической поверхности идеального газа.

7. СВЯЗЬ МЕЖДУ ОБРАТИМОСТЬЮ ЦИКЛА И КПД

Для того чтобы цикл был обратимым, в нём должна быть исключена передача теплоты при наличии разности температур, иначе нарушается условие адиабатичности процесса. Поэтому передача теплоты должна осуществляться либо в изотермическом процессе (как в цикле Карно), либо в эквидистантном процессе (обобщённый цикл Карно или, для примера, его частный случай Цикл Брайтона). Для того чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать либо адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, не влияют на энтропию), либо циклы с регенерацией тепла при которых нет передачи тепла при разности температур. Мы приходим к выводу, что любой обратимый цикл может быть сведён к циклу Карно.

Примером обратимого цикла, не являющегося циклом Карно, но интегрально совпадающим с ним, является идеальный цикл Стирлинга: в двигателе Стирлинга добавлен регенератор, обеспечивающий полное приближение цикла к циклу Карно с достижением обратимости и тех же величин КПД. Возможны и другие идеальные циклы, в которых коэффициент полезного действия определяется по той же формуле, что и для циклов Карно и Стирлинга, например цикл Эрикссона, состоящий из двух изобар и двух изотерм.

Если же в цикле возникает передача теплоты при наличии разности температур, а таковыми являются все технические реализации термодинамических циклов, то цикл утрачивает свойство обратимости. Иначе говоря, посредством отведённой в цикле механической работы становится невозможным получить исходную теплоту. КПД такого цикла будет всегда меньше, чем КПД цикла Карно.

8. ЦИКЛ БРАЙТОНА

Цикл Брайтона - термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля -- в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов

1--2 Изоэнтропическое сжатие.

2--3 Изобарическое расширение (подвод теплоты).

3--4 Изоэнтропическое расширение.

4--1 Изобарическое сжатие (отвод теплоты).

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1--2p--3--4p--1 на T-S диаграмме)

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:

,

где - степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1--2); k - показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4).

Рисунок 3. P -- V диаграмма цикла Брайтона.

Рисунок 4. I -- S (T -- S) диаграмма цикла Брайтона: идеального (1--2--3--4--1); реального (1--2p--3--4p--1)

Обратный цикл брайтона

Если обойти цикл Брайтона в обратном направлении -- (1--4--3--2--1) получится цикл холодильной машины, называемый также циклом Белла Колемана.

Поскольку согласно второму началу термодинамики непосредственная теплопередача от тела с более низкой температурой к телу с более высокой невозможна, холодильный цикл Брайтона осуществим только при условии, что температура холодильника не ниже {\displaystyle T_{4}}T4 , а температура нагревателя не выше {\displaystyle T_{2}}T2.

Холодильные установки с замкнутым контуром газообразного однофазного рабочего тела, работающие по обратному циклу Брайтона, применяются на практике.

Рисунок 5. Схема газовой турбины, работающей по открытому циклу: S -- компрессор; KS -- камера сгорания; T -- турбина; G -- электрический генератор.

Рисунок 6. Схема газовой турбины, работающей по закрытому циклу Брайтона: C -- компрессор; T -- турбина; W -- нагреватель (им может быть, в том числе, и ядерный реактор), M -- холодильник, ~ подключённый электрогенератор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном реферате было рассмотрено понятие термодинамических циклов, а также были подробно рассмотрены основные принципы термодинамических циклов, циклы и обратные Карно и Брайтона.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Агеев, Е.П. Неравновесная термодинамика в вопросах и ответах. - М.: изд-во "Ленанд", 2019.

2. Базаров, И.П. Термодинамика: Учебник. - СПб.: изд-во "Лань", 2010.

Размещено на Allbest.ru