Циклы теплоэнергетических установок

Прямые и обратные круговые процессы (циклы). Циклы теплосиловых установок, холодильных машин и тепловых насосов.

Мы уже знаем, что термодинамика возникла как наука, когда появилась необходимость научного обоснования принципа действия паровой поршневой машины и разработки метода ее расчета. Поэтому и те формулировки второго начала термодинамики, которые были предложены ее создателями, постулируют условие, при котором возможно превращение теплоты в работу в круговом процессе.

Круговые процессы, или циклы, необходимы для непрерывного получения механической работы (в тепловом двигателе) или непрерывного переноса теплоты от менее разогретого тела к более нагретому (в холодильной установке).

Циклы, у которых работа в процессе расширения больше работы в процессе сжатия, называются прямыми циклами (рис. 5.1, а). Последние являются циклами тепловых двигателей. Направление изменения параметров в процессах этих двигателей осуществляется по часовой стрелке.

Степень совершенства прямых циклов оценивается термическим КПД:

Циклы, у которых работа в процессе расширения меньше работы в процессе сжатия, называются обратными циклами. Эти циклы являются циклами холодильных установок и тепловых насосов (рис. 5.1, б).

Рис. 5.1. Прямые (а) и обратные (б) циклы Если холодильные установки предназначаются для переноса теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (часто — в окружающую среду), то в тепловых насосах происходит повышение температурного уровня теплоты для ее последующего использования (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Циклы холодильной установки (а) и теплового насоса (б).

Показателем энергетической эффективности холодильных установок служит холодильный коэффициент

а для тепловых насосов — коэффициент трансформации теплоты

называемый иногда отопительным коэффициентом.

В ходе развития термодинамики и применения ее в различных областях науки и техники было предложено большое число формулировок, определяющих действие второго начала в соответствующих областях научной и инженерной деятельности человека. Приведем из них три основные формулировки.

Одна из классических формулировок второго начала термодинамики вытекает из опыта односторонности теплообмена, сформулированного в виде так называемого постулата Клаузиуса, теплота не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой самопроизвольно, без компенсации.

Применительно к теории круговых процессов определение может быть дано в редакции, называемой иногда именем С. Карно, для непрерывного сколь угодно долгого превращения теплоты в работу необходимо иметь, по крайней мере, два источника теплоты разной температуры — теплоотдатчик более высокой температуры и тенлонриемник меньшей температуры.

Следующая формулировка нуждается в предварительных пояснениях. Известно, что вечным двигателем принято называть такой неосуществимый двигатель, который создает энергию из ничего, т. е. противоречит закону сохранения энергии. Будем называть его вечным двигателем первого рода.

В курсе термодинамики рассматривается, кроме того, вечный двигатель второго рода, особенность которого состоит в том, что он работает только при одном источнике теплоты — теплоотдатчике. Из этого следует, что вся подводимая теплота процесса в нем полностью превращается в работу, и, значит, его термический КПД цикла (5.1).

и при | 2| = 0 оказывается равным единице. Все это противоречит второму началу термодинамики и, в частности, первой его формулировке. Поэтому третья формулировка второго начала термодинамики утверждает следующее: вечный двигатель второго рода невозможен (постулат Томсона (Кельвина).

Приведенные формулировки второго начала термодинамики применительно к тепловым двигателям вскрывают специфические свойства теплоты: всегда при совершении кругового процесса {цикла) только часть подведенной теплоты может преобразовываться в работу.