Термічний ККД та холодний коефіцієнт

Термічний ККД—вказує на ефективність перетворення підведеної теплоти в зовнішню корисну роботу

де кількість підведеної теплоти до термодинамічної системи від верхнього джерела теплоти, Дж/кг; кількість відведеної теплоти від термодинамічної системи до нижнього джерела теплоти, Дж/кг; питома зовнішня корисна робота виконана машиною за цикл, Дж/кг.

Термічний ККД зручно підраховувати за допомогою фігур в TS-координатах.

Якщо в TS-координатах в масштабі побудувати конкретний цикл теплової машини, то числові значення площ фігур дорівнюватимуть числовим значенням підведеної і відведеної теплот і теплоті, що перетворюється в зовнішню корисну роботу. Існують загальні методи підвищення термічного ККД, що полягають в збільшенні без зміни , в зменшенні без зміни , в одночасному збільшенні і зменшенні .

Холодний коефіцієнт (ХК)—вказує на ефективність даної холодильної машини і дорівнює відношенню підведеної теплоти від нижнього джерела теплоти (холодильна потужність) до роботи підведеної із зовні для здійснення циклу

де кількість теплоти, що відводиться від машини до верхнього джерела теплоти, Дж/кг; кількість теплоти, що підводиться до машини від нижнього джерела теплоти Дж/кг; питома робота затрачена із зовні для здійснення машиною циклу, Дж/кг. Холодильний коефіцієнт може бути меншим від одиниці, більшим від одиниці або рівним їй.

Цикл холодильної машини—обернений цикл, який зображається проти годинникової стрілки.

Термічний ККД і ХК характеризують ефективність теплових машин та термотрансформаторів.

 

Цикл Карно. Теорема Карно.

У 1824 році французький інженер С.Карно вперше запропонував термодинамічний цикл ідеальної теплової машини, який неможливо здійснити в любій реальній машині і який складається з двох ізотерм і двох адіабат.

Зображення циклу Карно в PV i TS-координатах.

Ділянка 1-2—адіабатний процес розширення робочого тіла (робочий процес);

2-3—ізотермічний відвід теплоти q₂ від системи до нижнього джерела теплоти;

3-4—адіабатний стиск робочого тіла;

4-1—ізотермічний підвід q₁ від верхнього джерела теплоти до термодинамічної системи.

Термічний ККД може бути підрахований за наступними рівняннями

Якщо врахувати рівняння ізотермічних процесів 4-1; 2-3, то вираз для термічного ККД цикла Карно буде мати вигляд

абсолютна температура теплоприйомника або нижнього джерела теплоти, К;

абсолютна температура тепловіддачника або верхнього джерела теплоти, К.

З попереднього рівняння і розглянутого циклу можна зробити такі висновки:

1. Термічний ККД ідеального цикла Карно залежить лише від значень абсолютних температур T₂ i T₁. зростає із збільшенням і зменшенням .

2. Уся теплота q₁ не може бути повністю перетворена в роботу.

3. Якщо T₁=T₂, то отже якщо всі тіла системи мають однакову температуру, то неможливе перетворення теплоти в роботу.

4. Теорема Карно. Термічний ККД не залежить від конструкції двигуна і фізичних властивостей робочого тіла, а залежить лише від значень T₁ i T₂.

Важливість ідеального циклу Карно полягає в тому, що для усіх циклів реальних теплових машин він вказує на верхню межу перетворення теплоти в роботу при заданому діапазоні температур T₁ і T₂. Для холодильних машин, для порівняння, використовують обернений цикл Карно, який протікає проти годинникової стрілки, а процеси співпадають з прямим циклом Карно. Холодний коефіцієнт оберненого цикла Карно підраховують за формулою

Ексерсія (технічна роботоздатність)—це максимальна робота, що здійснює робоче тіло, якщо в якості нижнього джерела теплоти приймають оточуюче середовище із своєю температурою.

Ексерсія підраховується за формулою із першого закону термодинаміки

 

Лекція 6

Реальний газ. Властивості реальних газів. Водяна пара. Термодинамічні таблиці води і водяної пари. P_V –, T_S –, H_S – діаграми водяної пари. Розрахунок термодинамічних процесів водяної пари з допомогою таблиць і H_S – діаграми.

Реальний газ

Реальний газ—це газ, в якому враховують силу взаємодії між молекулами і розміри самих молекул. В зв’язку з тим, що реальні гази суттєво відрізняються, існує ряд рівнянь, які описуютьстани цих газів. Одне із головних рівнянь, що описує стан реального газу є рівняння Ван-дер-Вальса, що враховує поправки на сили взаємодії між молекулами і розміри самих молекул

де постійні величини, що властиві даному конкретному газу і вибираються із довідникових таблиць.

Інертним газам властиве рівняння Бертло, яке має такий вигляд

Суміші газів

У переважній більшості випадках реальним робочим тілом є суміші реальних газів, наприклад, в поршневих двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) на початку циклу робочим тілом є бензиново-повітряна суміш, а в кінці—продукти згоряння. Існує три способи задавання сумішей реальних газів: масовими долями; об’ємними долями; мольними долями.

В рекомендованій літературі приводяться рівняння способів задавання сумішей, підрахунків основних параметрів сумішей (P,V,T) та газової сталої сумішей, теплоємності сумішей. А в спеціальній літературі—інших параметрів сумішей.

 

Фазова PV діаграма води і водяної пари.

Найбільш розповсюдженим робочим тілом є вода і водяна пара. Близько 80% теплової і електричної енергії виробляється машинами за допомогою цього робочого тіла. На прикладі фізичних властивостей води і водяної пари в термодинаміці можна розглянути властивості усіх інших робочих тіл. Експериментально встановлено, що кожному тиску води і пари відповідає температура насичення.

Насичення води—кипіння, тобто випаровування рідини по усьому її об’єму.

Насичення пари—це коли завершується процес пароутворення і пара із вологої перетворюється у суху. Із збільшенням температури насичення води або її пари тиск, що відповідає цим температурам зростає.

Фазова PV діаграма

І—область льоду;

ІІ—область рідини (вода);

ІІІ—область вологої насиченої пари;

IV—область сухої перегрітої пари.

Точка А—стан речовини, який відповідає одночасному перебуванню її в трьох агрегатних станах (потрійна точка стану води): Т_а=273,16 К; Р_а=750 мм.рт.ст.; К—критична точка, в якій одночасно можуть існувати вода і водяна пара: t_к=374,15 °C; Р_к=22,129 МПа. В критичному стані густина води і пари рівні.

Лінія ВА—перехід води із твердого у рідкий стан.

Лінія АК—лінія насичення води, тобто її кипіння.

Лінія КС-- лінія насичення пари, завершується процес пароутворення; пара із вологої перетворилась у суху перегріту.

Для АК x=0, KC x=1, де x—степінь сухості пари—відношення маси сухої перегрітої пари до загальної маси вологої пари, який змінюється від нуля до одиниці.

Якщо взяти стан льоду в точці 1 і підводити до нього теплоту при сталому тиску то його температура зростатиме до досягнення параметрів близьких ВА. При подальшому підводі теплоти вона витрачатиметься на фазове перетворення льоду у воду при сталій температурі. При підводі теплоти до води температура її зростатиме до досягнення стану близького АК. На цій лінії теплота, що підводиться буде йти на початок кипіння води (випаровування по всьому об’єму). При подальшому підводі теплоти до води на лінії насичення температура не зростатиме. Теплота буде йти на пароутворення. Якщо справа від АК волога насичена пара вміщує багато крапель води (густий туман), то зліва від КС вологої водяної пари майже не має. Пара стає сухою. На лінії КС процес пароутворення завершився і при подальшому підводі теплоти при P=const, температура сухої перегрітої пари різко зростатиме.

Кожній точці на лініях АК і КС відповідає стан води і водяної пари на лініях насичення при конкретних температурах і тисках з певним кроком, які зведені в таблиці термодинамічних властивостей води і водяної пари (на лініях насичення).

Таблиці є довідниковими і використовуються для інженерних розрахунків парових турбін, пароперегрівачів, конденсаторів.

В таблиці параметри V’,S’,h’ відносяться до води на лінії насичення, V”,S”,h”—до пари на лінії насичення.