Циклы тепловых машин

Циклические процессы имеют большое значение в теплотехнических устройствах. Процессы такого рода протекают в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках, холодильных установках, тепловых насосах и т. д.

Циклический процесс — это процесс, состоящий из нескольких отдельных термодинамических процессов, после протекания которых система оказывается в исходном состоянии.

Рабочее тело циркулирует в машине или аппарате, при этом оно обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты или путем совершения работы (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Пример схематического изображения циклического процесса 1—2—3—4—1

На участках 1—2, 2—3, 3—4, 4—1 рабочее тело изменяет состояние, при этом энергия системы.

может возрастать или убывать, но, поскольку энергия — функция состояния, то.

Если рабочее тело не пересекает границ системы, т. е. если система закрыта, равенство нулю изменения энергии в цикле означает, что процесс является стационарным. Поскольку j>dE = 0, из первого закона термодинамики следует, что.

где ij — индексы потоков теплоты и каналов обмена энергией посредством совершения работы в машине или аппарате.

Рассмотрим схему паросиловой установки (рис. 6.2). Установка состоит из генератора пара (бойлера), турбины, конденсатора и насоса. Рабочим телом является вода, которая испаряется в бойлере, пар расширяется в турбине, при этом тепловая энергия пара переходит в механическую энергию турбины. Далее пар попадает в конденсатор, охлаждается, затем подается в насос и опять в бойлер. Цикл замыкается.

К бойлеру подводится энергия в форме теплоты Q, источником этой энергии является тепло, выделяющееся в результате сгорания углеводородного топлива (ТЭЦ) или энергия ядерной реакции (АЭС). За счет этой энергии происходят нагрев и испарение рабочего тела. Для цикла выполняется условие

где W_u — мощность, потребляемая насосом; V_T — мощность турбины.

Рис. 6.2. Схема паросиловой установки

На рис. 6.3 изображена схема холодильной установки.

Рис. 63. Схема холодильной установки

Рабочее тело (хладагент) в парообразном состоянии сжимается в компрессоре, при этом потребляется мощность Р_к> затем конденсируется, охлаждаясь, в конденсаторе, отдает тепло в окружающую среду, далее проходит через дроссель, при этом давление падает. В испарителе рабочее тело испаряется за счет теплового потока от охлаждаемого пространства. В этом случае для цикла справедливо соотношение.