Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Обратный цикл Карно

Обратный цикл Карно

Страница 2 из 13

Циклы, в которых тепло превращается в работу, называются прямыми. Прямые циклы совершают все тепловые машины (паровые, двигатели внутреннего сгорания и др.). Обратными называют циклы, на осуществление которых расходуется механическая энергия.

Работа идеальной паровой компрессионной холодильной машины теоретически осуществляется по обратному циклу Карно (рис. 1). Для этого температура охлаждаемого тела и охлаждающей среды должна быть постоянной. Также должен быть идеальным и теплообмен между рабочим телом и окружающей средой.

Диаграмма цикла работы паровой холодильной машины

Рис. 1 – Диаграмма цикла работы паровой холодильной машины

Все процессы цикла Карно обратимые. Обратимым называется такой процесс, который можно провести в обратном направлении и получить все участвующие тела в первоначальном состоянии.

Тепловой цикл состоит из двух изотерм 4–1, 2–3 и двух адиабат 1–2 и 3–4.

В изотермическом процессе 4–1 к рабочему телу подводится тепло q0 от охлаждаемой среды, при этом температура рабочего тела Т0, остается постоянной. Этот процесс охлаждения является основным в холодильной машине. Все остальные процессы цикла служат для того, чтобы передать тепло от охлаждаемой среды телу, имеющему более высокую температуру Т. Адиабатический процесс сжатия рабочего тела 1–2 совершается без обмена теплом с окружающей средой, а температура рабочего тела при этом повышается от Т0 до Т. В адиабатическом процессе расширения 3–4 температура рабочего тела понижается от Т до Т0 и производится полезная работа l. Условием осуществления цикла Карно является отсутствие разности температур между охлаждаемой средой и рабочим телом, а также между теплоприемником и рабочим телом.

Тепло q0, подведенное к рабочему телу от охлаждаемой среды, выражается величиной площади и для цикла Карно составляет

q00×(sa – sb), (1)

где sa и sb – энтропия рабочего тела в начале и конце цикла. Работа, затраченная на сжатие, в этом случае будет

l = (Т – То)×(sa – sb). (2)

Всякую затрату энергии можно представить как произведение разности потенциалов (температур, давлений, напряжений) на приращение некоторой величины. В теплотехнике и хладотехнике эта величина называется энтропией, которая является таким же параметром состояния вещества, как и температура, давление, энтальпия (теплосодержание) и т. п. Энтропия в переводе с греческого означает превращение. Она не меняется в теоретических обратимых (круговых) процессах. Каждый естественный, т. е. необратимый процесс протекает таким образом, что энтропия увеличивается.

Под энтропией понимают отношение ничтожно малого количества тепла Δq, сообщенного телу (или отнятого от него) в процессе изменения его состояния, к абсолютной температуре Т, при которой это приращение тепла происходит. Приращение энтропии Δs может быть выражено уравнением

Δs = Δq / Т. (3)

Это отношение принято в качестве меры необратимости реальных процессов.

Энтропия в тепловых явлениях играет такую же роль, как электрический заряд в электрических явлениях. Поэтому энтропию в известном смысле можно рассматривать как термический заряд; в этом и состоит ее физический смысл.

При нормальной температуре полная и свободная энергии различаются не слишком сильно, а при температуре абсолютного нуля они просто равны. Третье начало термодинамики (теорема Нернста) гласит, что к температуре абсолютного нуля можно приблизиться сколь угодно точно, но никогда нельзя достичь ее. При температуре абсолютного нуля энтропия всякого вещества равна нулю.

Во всякой изолированной системе тел энтропия может только возрастать, если протекают необратимые процессы, или оставаться постоянной, если процессы носят обратимый характер. Изменение энтропии характеризует необратимые процессы. Увеличение внутренней энергии тела за счет теплообмена, диффузии, трения и необратимых процессов всегда приводит к возрастанию энтропии тел, участвующих в этом процессе.

Из уравнения (2) видно, что работа, затраченная на перекачивание тепла с низшего температурного уровня на высший, равна произведению разности этих температур на приращение энтропии. Согласно определению холодильного коэффициента (6) получим выражение

130214_f1 (4)

Уравнение (4) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от свойства рабочего тела, а определяется только температурами охлаждаемой среды То и среды, которая воспринимает тепло Т. Чем выше температура охлаждаемой среды, тем больше холодильный коэффициент. С точки зрения экономичности процесса охлаждения не следует охлаждать среду ниже той температуры, которая достаточна для достижения цели.

Величина То оказывает большее влияние на холодильный коэффициент, чем Т. Следовательно, для достижения высокого значения холодильного коэффициента следует работать при высокой температуре То и при низкой температуре Т. Однако нужно иметь в виду, что работа холодильной машины всегда связана с определенными температурными ограничениями, которые не позволяют произвольно выбирать То и Т.

Цикл Карно служит эталоном для сравнения с действительным циклом, а также дает указания о температурах, которых надо придерживаться для получения максимальной эффективности. Цикл Карно характеризует минимальную величину работы, которая затрачивается извне на осуществление машиной холодильного цикла.

Высокое значение холодильного коэффициента свидетельствует об экономичности работы холодильной машины. В заданных пределах температуры не может быть машины более экономичной, чем та, в которой все процессы обратимые.

Теплообмен может быть обратимым при бесконечно малых разностях температур тел, обменивающихся теплом. Поскольку для этого процесса необходимы бесконечно большие поверхности теплопередачи, он практически не может быть осуществлен.

В реальных условиях температура охлаждаемой среды (в камере) всегда должна быть выше температуры рабочего тела, так как только в этом случае теплота самопроизвольно перейдет к рабочему телу в процессе 4–1 (рис. 1). Необходимо, чтобы температура охлаждающей среды (воды, воздуха на конденсаторе) всегда была ниже температуры рабочего тела. Только тогда тепло будет переходить от рабочего тела к воде или воздуху в процессе 2–3.

Процессы теплообмена, протекающие при условии разности температур, необратимы и связаны с потерями. Из-за этих потерь в машине возникают дополнительные затраты работы. Уменьшение перепада температур приводит к увеличению поверхности теплообменных аппаратов. Обычно эти перепады принимают равными 5° С.

Холодильный коэффициент необратимого цикла всегда будет ниже коэффициента обратимого, так как, кроме преодоления разностей температур, необходима затрата работы на преодоление сил трения в самой машине.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика