Читальный зал -->  Машины цикла стирлинга 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

2-3. ЦИКЛ КАРНО

Цикл Карнр - это термодинамический цикл, состоящий из четырех последовательных процессов (рис. 2-2).

Для рассмотрения работы двигателя по идеальному циклу Карно предположим, что имеется поршень и цилиндр (см. рис*. 2-2). Далее предположим, что цилиндр полностью изолирован, а поршень имеет возможность перемещаться в цилиндре без трения; кроме того, будем считать, что утечки рабочего тела из цилиндра отсутствуют.

По нашему желанию головка цилиндра может быть принята либо с очень высокой теплопроводностью, либо быть полностью теплоизолированной.

Предположим, что в начале цикла поршень находится в верхней мертвой точке; объем между поршнем и оболочкой цилиндра максимальный. Давление и температура рабочего тела минимальны; на рис. 2-2, а это соответствует точке /. Пусть теперь поршень движется к головке цилиндра; при этом происходит сжатие рабочего тела, что на рис. 2-2, а показано процессом 1-2. В этом случае предполагается, что материал головки цилиндра обладает высокой теплопроводностью, а коэффициент теплопередачи бесконечно большой; вследствие этого процесс протекает изотермически (при постоянной температуре). Работа, затраченная на сжатие газа, и отведенная от него теплота показаны заштрихованными площадями соответственно на р, V- и Г, 5-диа-граммах. Поскольку процесс изотермический, количество отведенной теплоты в точности равно затраченной работе.

Для второго процесса - изоэнтропического сжатия (рис. 2-2, б) считается, что головка цилиндра полностью теплоизолирована. При движении поршня по направлению к головке цилиндра теплота

Рис. 2-2. Цикл Карио.

а - изотермическое сжатие; б - изо-энтропическое сжатие; в - изотермическое расширение; г - изоэнтропиче-ское расширение; д - цикл Карио в р, v- и т, S-диаграммах.

не может быть отведена от газа, поэтому в идеальном случае энтропия остается постоянной. Этот процесс протекает с уменьшением объема и увеличением давления и температуры газа. Работа, произведенная над газом, показана заштрихованной площадью на р, У-диаграмме, а передачи теплоты в этом процессе нет. Два оставшихся процесса расширения - изотермическое (3-4) и изоэнтро-пическое (4-1) показаны соответственно на рис. 2-2, е и г.

В результате объединения этих четырех процессов получится цикл в р, V- VI Т, 5-координатах, показанный на рис. 2-2, д. Заштрихованная площадь, ограниченная линией 1-2-3-4 на р, К-диа-грамме, представляет собой полезную работу за цикл. Аналогично площадь 4-3-5-6 на Т, 5-диаграмме характеризует подведенную в цикле теплоту. Площадь 1-2-3-4 - теплота, превращенная в работу, а площадь 1-2-5-6 - теплота, отводимая от цилиндра за цикл. Из этой диаграммы ясно, почему цикл Карно имеет наибольший из возможных термический к. п. д. При заданных температурных условиях, т. е. при заданных значениях Г акс и Тю невозможны циклы с ббльшим отношениемплощадей 1-2-3-4 и 4-3-5-6,

W пл. 1-2-3-4

следовательно, термический к. п. д. т] = --- =-;-- дол-

Q пл. 4-3-5-6

жен быть наибольшим.

В термодинамическом анализе должны использоваться абсолютные температуры. В Т, 5-диаграмме за нулевую температуру принята температура, равная -273° С (О К); вследствие этого, если требуется отвести теплоту, эквивалентную площади 1-2-5-6, то она может быть значительной.

Очевидно, что к. п. д. цикла Карно (и это вообще относится ко всем двигателям) может быть повышен либо путем увеличения температуры TjiaKc. либо уменьшением температуры Г ин- Предельное значение максимальной температуры Г акс ограничено конструкционными материалами двигателя и называется термическим пределом. За наименьшее возможное значение минимальной температуры Т ин принимается температура охлаждающей воды или воздуха, обычно находяищхся при окружающих атмосферных условиях.

Сконструировать двигатели, работающие по циклу Карно, практически невозможно: нет конструкционных материалов с совершенными теплоизоляционными и теплопередающими свойствами; движение поршней в цилиндрах происходит с трением и имеются потери, связанные с утечками газа. Однако наибольшие трудности возникают из-за малой разницы в углах наклона кривых на р, V-диаграмме, описывающих изотермические и изоэнтропические процессы в*газе (например, в воздухе); вследствие этого ничтожно мала площадь на р, F-диаграмме (рис. 2-2, д), если только не используются давление в несколько миллионов атмосфер и ход поршня - несколько метров. При таких предельных параметрах двигатель становится громоздким, тяжелым и совершенно неспособным производить работу на преодоление собственного трения. Несмотря

гос. ПУБЛИЧНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ БИБДИОТЕНА СССР

на невозможность практического использования, цикл Карно полезен для предварительного изучения работы любого двигателя. К. тому же при некоторых изменениях, приводящих его к циклу Ренкина, цикл Карно является характерным для работы паро-жидкостных машин, таких как, например, поршневые паровые двигатели, паровые турбины и фреоновые холодильные установки.

2-4. цикл стирлинга

Цикл Стирлинга, приведенный отношениях более простым, чем

Тмакс ,

Полость Регенератор Полость рассиирения \ сжатия

			Перемещение

на рис. 2-3, является в некоторых цикл Карно.

Рассмотрим цилиндр, имеющий два противоположно расположенных поршня с помещенным между ними регенератором. Регенератор можно рассматривать как некую термодинамическую губку , обладающую способностью поочередно поглощать и отдавать теплоту. Он представляет собой металлическую насадку, состоящую из отдельных тонких проволочек или полосок. Один из двух объемов, расположенный между регенератором и поршнями, называемый полостью расширения, находится при высокой температуре Г акс-Другой объем, находящийся при низкой температуре Г ин. называется полостью сжатия. Следовательно, температурный градиент между торцевыми поверхностями регенератора равен Г а е - мин; в продольном направлении предполагается, что материал насадки имеет нулевую теплопроводность. Здесь так же, как и в цикле Карно, прини-

Рис. 2-3. Цикл Стирлинга.

а - р, v- я т. S-диаграммы; б - положения поршней в основных точках цикла; в - диаграмма время - перемещение .

мается, что движение поршней происходит без трения и без утечек рабочего тела, находящегося между поршнями.

Предположим, что в начале цикла поршень полости сжатия находится в верхней мертвой точке, а поршень полости расширения - в нижней мертвой точке, около торцевой поверхности регенератора. В таком положении все рабочее тело находится в холодной полости сжатия. Его объем максимальный, а давление и температура минимальные; это соответствует точке / на р, V- и Т, S-диаграммах (см. рис. 2-3). Во время процесса сжатия (1-2) правый поршень движется по направлению к нижней мертвой точке, а поршень полости расширения остается неподвижным. Рабочее тело сжимается в полости сжатия, и давление его увеличивается. Температура остается постоянной, так как теплота отводится от полости сжатия в окружающую среду.

В процессе 2-3 оба поршня движутся одновременно: поршень полости сжатия к регенератору, а поршень полости расширения - от регенератора. Движение поршней происходит таким образом, что объем между ними остается постоянным. Вследствие этого рабочее тело, проходя через пористую насадку регенератора, переходит из полости сжатия в полость расширения. При прохождении через регенератор температура рабочего тела за счет теплоты насадки повышается от Г ин ДО Т . Постепенное увеличение температуры газа при прохождении его через насадку регенератора при постоянном объеме вызывает повышение его давления.

В процессе расширения 3-4 левый поршень продолжает двигаться от регенератора в направлении верхней мертвой точки; правый поршень полости сжатия остается неподвижным в нижней мертвой точке, вблизи регенератора. Поскольку это процесс расширения, то с увеличением объема газа давление его уменьшается. Температура рабочего тела остается постоянной, поскольку теплота Qe подводится к системе от внешнего источника.

Последний процесс в цикле 4-1, во время которого поршни движутся одновременно так, чтобы возвратить рабочее тело при постоянном объеме через насадку регенератора из полости расширения в полость сжатия. При прохождении газа через насадку регенератора теплота от рабочего тела передается материалу насадки и вследствие этого температура рабочего тела уменьшается и достигает Г и - температуры полости сжатия. Теплота, переданная в этом процессе, сохраняется в насадке и передается рабочему телу в процессе 2-3 следующего цикла.

Таким образом, цикл состоит из четырех процессов: 1-2 - процесс изотермического сжатия, теплота от рабочего тела с температурой Г ии передается окружающей среде; 2-3 - процесс при постоянном объеме, теплота от насадки регенератора передается рабочему телу; 3-4 - процесс изотермического расширения, теплота от внешнего источника с температурой Гакс передается ребочему телу; 4-1 - процесс при постоянном объеме, теплота от рабочего тела передается насадке регенератора.

Если количества теплоты в процессах 2-3 и 4-1 одинаковы, то теплооб!иен между двигателем и окружающей средой осуществляется путем подвода и отвода теплоты соответственно при Т и Г ии-Такие условия подвода и отвода теплоты при постоянных температурах удовлетворяют выводам второго закона термодинамики для максимального термического к. п. д. цикла; вследствие этого термический коэффициент полезного действия цикла Стирлинга такой же,

Рис. 2-4. Циклы Стирлинга и Карно. Приведенные циклы даны Для одних и тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади на р, V- и Т, 5-диаграммах характеризуют соответственно прирост внешней работы и увеличение количества теплоты в цикле Стирлинга.

как и для цикла Карно, т. е. т] = (яас - Тмии)/Тяа,.. Основное преимущество цикла Стирлинга перед циклом Карно заключается в замене двух изоэнтропических процессов двумя процессами при постоянном объеме, что существенно увеличивает площадь на р, V-диаграмме. Поэтому для получения достаточной работы в цикле Стирлинга не требуется создавать очень высокие значения давлений и вытесняемых объемов, как в случае цикла Карно.

Рис. 2-5. Циклы Эриксона и Карно. Приведенные циклы даны для одних н тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади характеризуют соответственно прирост внешней работы и увеличение количества теплоты в цикле Эриксона.

Сравнение р, У-диаграмм циклов Карно и Стирлинга для заданных давлений, температур и объемов приведено на рис. 2-4. Заштрихованные площади 5-2-3 и 1-6-4 представляют дополнительную работу, полученную вследствие замены изоэнтропических процессов процессами при постоянных объемах. Изотермические процессы 1-5 и 3-6 цикла Карно продлены, с тем чтобы получить процессы 1-2 и 3-4; таким образом, количество подводимой и отводимой теплоты в цикле Стирлинга увеличивается пропорционально полученной работе. Доля подводимой теплоты, превращенной в работу (терми-, ческий к. п. д. цикла), одинакова для обоих циклов.

2-5. цикл эриксона

В цикле Эриксона регенеративные процессы подвода и отвода теплоты при постоянных объемах, о которых говорилось выше, заменяются регенеративными процессами подвода и отвода теплоты при постоянных давлениях. Это приводит к циклу, изображенному на р, V- и Т, 5-диаграммах (рис. 2-5). Для одних и тех же значений давления, объемов и температуры термический к. п. д. цикла Эриксона такой же, как и для цикла Карно, а полезная работа и количество передаваемой теплоты намного больше.

2-6. цикл стирлинга для теплового двигателя

Ранее было отмечено, что подвод теплоты в цикле осуществляется при некоторой высокой температуре Гакс- Часть теплоты превращается в работу, а часть отводится при низкой температуре Тыяа- Описанный выше цикл относится к тепловому двигателю, в котором получение полезной работы связано с подводом теплоты от высокотемпературного источника энергии и ее отводом при низкой температуре.

2-7. цикл стирлинга для холодильной машины

Та же идеальная машина, с помощью которой было дано описание работы теплового двигателя по циклу Стирлинга, может быть использована для знакомства с работой холодильной машины с та-

Рис. 2-6. Цикл Стирлинга теплового двигателя и холодильной машины. В обеих машинах процесс сжатия происходит при Тмин. Процесс расширения в двигателе осуществляется при Тмакс. а в холодильной машине - при Тохл-В двигателе теплота, подводимая при высокой температуре, преобразуется в полезную работу. В холодильной машине теплота отводится хладагентом;

требуется затрата внешней работы.

в этом случае

КИМ же ЦИКЛОМ. Единственное различие состоит в том, что температура внешнего источника, от которого подводится теплота в процессе расширения, ниже, чем температура рабочей жидкости, отводящей теплоту в процессе сжатия. Это показано на рис. 2-6, где приведены р, V- и Т, 5-диаграммы циклов для теплового двигателя и холодильной машины.

В случае холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга, теплота отводится из холодной полости в процессе расширения 3-4. Работа сжатия (площадь 1-2-5-6) как для теплового двигателя, так и для холодильной машины одна и та же. Работа

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

ООО «Мягкий Дом» - это Отечественный производитель мебели. Наша профильная продукция - это диваны еврокнижка. Каждый диван можем изготовить в соответствии с Вашими пожеланияи (размер, ткань и материал). Осуществляем бесплатную доставку и сборку.



Звоните! Ежедневно!
 (926)274-88-54 
Продажа и изготовление мебели.

Копирование контента сайта запрещено.
Авторские права защищаются адвокатской коллегией г. Москвы.