Циклы тепловых двигателей и установок
Круговой цикл (процесс) – это такой процесс, при котором газ (т.е. рабочее тело) после ряда изменений возвращается в исходное состояние.
Круговые процессы осуществляются в тепловых двигателях как процессы, периодически повторяющиеся. В системе p-v координат круговые процессы всегда замкнуты.
Рассмотрим изменение состояния газа в непрерывно работающем тепловом двигателе. Допустим, что газ с начальными параметрами, характеризующимися точкой 1 (рис. 2), вводится в соприкосновение с источником тепла, в результате чего газ расширяется до конечного состояния, характеризуемого точкой 2.
В процессе расширения газ совершает работу, измеряемую площадью 1-1′-2-3-4-1. Если газ сжимать при той же температуре, при которой он расширялся, то работа, затрачиваемая на сжатие, будет равна работе, получаемой при расширении, и в результате такого процесса работа будет равна нулю.
Следовательно, процесс сжатия необходимо вести при меньшей температуре, чем процесс расширения, т.е. при сжатии газ следует охлаждать.
Работа, затраченная на сжатие, изображается площадью 2-2′-1-4-3-2. в результате кругового процесса получается полезная работа, равная разности работ расширения и сжатия, которая изображается площадью 1-1′-1-4-3-2, ограниченной замкнутой кривой обоих процессов.
Для осуществления кругового процесса (цикла) и получения полезной работы необходимо к газу в процессе расширения подвести тепло 
, а в процессе сжатия отвести от него тепло 
.
Так как в круговом процессе конечное и начальное состояния газа совпадают, то изменение внутренней энергии газа за цикл равно нулю, т.е. 
.
На совершение полезной работы в круговом процессе затрачивается количество тепла q=q1-q2, где q1 и q2 - количество подведенного и отведенного тепла соответственно.
Процесс на рисунке 2 называют прямым, и он направлен по часовой стрелке. Прямые циклы имеют место в тепловых двигателях.
Экономичность цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (к.п.д.), обозначаемым 
и равным отношению тепла, превращенного в полезную работу, к подведенному теплу, т.е.
.
где q1 и q2 - количество подведенного и отведенного тепла соответственно. Данное уравнение показывает, что к.п.д. не может быть больше или равен единице, т.к. ни q2 ни q1 не могут быть равны нулю.
10. Циклы ДВС их особенности и отличие. Графическое изображение
циклов, расчет и анализ цикла ДВС.
В теоретическом цикле процесс сгорания топлива условно заменен мгновенным подводом тепла от постороннего источника, а процесс выпуска из цилиндра продуктов сгорания – мгновенным отводом тепла на сторону.
В действительном цикле рабочая смесь качественно изменяется – превращается в продукты сгорания. В теоретическом же цикле этот процесс заменен сжатием и расширением постоянного по количеству и по качеству рабочего тела (газа) в цилиндре условного двигателя, стенки которого считаются не теплопроводными. Различают два основных теоретических цикла: а) с подводом тепла при постоянном объеме рабочего тела и б) с подводом части тепла при постоянном объеме и части тепла – при постоянном давлении. Тепло из цилиндра в обоих циклах отводится при постоянном объеме.
Теоретические циклы графически изображаются в виде pV- диаграмм.
На рисунке 2 приведены диаграммы теоретических циклов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания: диаграмма цикла с подводом тепла при постоянном объеме (Рисунок 2, а) и диаграмма цикла со смешанным подводом тепла (Рисунок 2, б).
Рассмотрим первую диаграмму. В начале цикла поршень находится в н.м.т., что соответствует точке а диаграммы. При перемещении поршня и сжатии газа, находящегося в цилиндре, повышаются его температура и давление, что находит отражение на линии ас диаграммы. В точке с топливо воспламеняется и при постоянном объеме продолжает гореть до точки z (cz). По zb происходит расширение сгоревших газов, по ba – уравнивание давлений с выпуском продуктов сгорания и, наконец, по ar – выталкивание оставшихся продуктов сгорания в атмосферу.
а) с подводом тепла при постоянном объеме; б) со смешанным подводом тепла.
Рисунок 2 – Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания
11. Цикл Карно. Практическая значимость цикла.
Цикл Карно является обратимым циклическим процессом с двумя источниками теплоты, имеющими разные, но постоянные температуры. Так как температуры источников тепла постоянные, а процессы получения и отдачи рабочим веществом тепла должны быть обратимыми, то эти процессы могут быть только изотермическими. При этом температура рабочего вещества в цикле должна, очевидно, меняться без теплообмена с окружающей средой, т.е. в адиабатных условиях. Поэтому цикл Карно состоит из двух обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов, чередующихся между собой.
Таким образом, КПД цикла Карно, произведенного с идеальным газом, определяется только температурами T1 (горячего) и T2 (холодного) источников тепла. При этом  тем больше, чем больше разность между T1 и T2 . КПД цикла Карно равен 1 в двух практически недостижимых случаях: когда  или, когда T2 =0 . Если КПД цикла равен единице, то из выражения (4.11.4) следует, что Q2=0 , т. е. все тепло Q1 , полученное от горячего источника, преобразуется в работу, что запрещено вторым началом термодинамики. Следовательно, КПД никакого цикла, в том числе и цикла Карно, не может быть равен единице.
12. Холодильный цикл. Принцип работы холодильной установки.
В цикле холодильной парокомпрессионной установки дополни- тельная энергия подводится к хладагенту в виде работы сжатия рабочего тела в компрессоре. В результате более нагретое тело получит от термодинамической системы теплоты больше, чем отдает менее нагретое тело, на величину работы цикла: Q1 = Q2 + L, где Q1 – теплота, отданная горячему источнику, кДж; Q2 – тепло- та, полученная от холодного источника, кДж; L – работа сжатия рабочего тела в цикле, кДж. Схема цикла парокомпрессионной холодильной уста- новки, применяемая в бытовых и промышленных холодильни- ках, в химических технологиях и биотехнологиях для обеспече- ния холодом процессов сушки, кристаллизации, абсорбции, ад- сорбции, экзотермических реакций, кондиционирования воздуха, представлена на рис. 1. В качестве рабочего тела – хладагента может использоваться фреоны (хладоны), аммиак NH3. На рис. 2 изображен цикл холодильной установки в T–s-диаграмме. Работает установка следующим образом. Хладагент по па- ропроводу ПП поступает с параметрами состояния точки 1 (в ви- де сухого насыщенного пара) на вход компрессора КМ. Где 2 сжимается до давления р2 по линии 1-2 (адиабате или изоэнтропе) в идеальном процессе или по линии 1-2д в реальном процессе (рис. 2). Из компрессора КМ перегретый пар хладагента (точка 2 или 2д) поступает в конденсатор К, где отдает тепло q1 охлажда- ющей воде ОВ. Перегретый пар, в конденсаторе К, охлаждается по изобаре 2д–2–3 до состояния сухого насыщенного пара (точка 3), а затем конденсируется по изобаре-изотерме 3–4 до состояния насыщенной жидкости (точка 4). Из конденсатора К жидкость подается в дроссель ДР, в котором происходит адиабатное дрос- селирование 4–5 с понижением температуры и давления хлада- гента. С параметрами состояния точки 5 влажный насыщенный пар из дросселя ДР поступает в испаритель И, в котором проис- ходит изобарно-изотермический процесс парообразования 5–1 с отводом теплоты q2 от рассола (в бытовых холодильниках от продуктов охлаждения). Рассол направляется потребителю холо- да ПХ. Затем хладагент из испарителя И вновь по паропроводу ПП направляется в компрессор КМ. Термодинамический цикл этого холодильного двигателя производится между двумя изобарами – изобарой отвода тепла в конденсаторе (2д-2-3-4) и изобарой подвода тепла в испарителе (5-1) как показано на рис. 2. По обратному термодинамическому циклу работают также тепловые насосы, с помощью которых теплота низкого потенциа- Рис. 2. Теоретический и действительный цикл паровой компрессионной холодильной машины Рис. 1. Схема цикла парокомпрессионной холодильной установки: ПП – паропровод; КМ – компрессор; К – конденсатор; ОВ – охлаждающая вода; ДР – дроссель; И – испаритель; ПХ – потребитель холода 2 3 s7 5 1 4 Т K 0 s 2д 6 s5 s1 И ОВ КМ ДР ПХ 1 1 2(2д) 4 5 К ПП 3 ла, забираемая, как правило, из окружающей среды, отдается внешнему потребителю при более высокой температуре за счет затраченной работы.
13. ГТУ. Принцип работы. Диаграммы циклов.
В отличие от поршневого двигателя внутреннего сгорания, в котором процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя — цилиндре, в ГТУ процессы происходят в различных элементах этой установки, и, таким образом, в ней нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом двигателе. В ГТУ средняя скорость рабочего тела значительно выше, чем в поршневых двигателях. Все это позволяет сосредоточить в сравнительно небольших по размеру ГТУ большие мощности.
Цикл простой ГТУ. Принципиальная схема простой ГТУ представлена на рис. 10.12. Воздух из окружающей среды (состояние 1) поступает в компрессор K, где адиабатно сжимается до давления p2, обычно не превышающего 3 МПа.
В камере сгорания КС происходит сгорание жидкого или газообразного топлива. Образовавшиеся в КС газы (смесь продуктов сгорания и воздуха, не участвующего в процессе окисления топлива) в состоянии 3 при температуре 1000— 1800 К поступают в газовую турбину T, где адиабатно расширяются до первоначального давления p1, после чего выбрасываются в окружающую среду.
14. Виды теплообмена. Расчетные формулы.
Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела - переносится лишь энергия.
Конвекция - это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками (или струями) вещества.Общеизвестно, например, что жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, радиаторы отопления помещают под окнами около пола.
Лучистый теплообмен - это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас.