Термодинамическая классификация процессов трансформации тепла.

Термодинамические различия процессов, протекающих в различных ТТ, могут быть на столько принципиальными, что что их рассмотрение целесообразно выделить в отдельный вопрос.

Трансформаторы тепла с циклическими процессами.

В ТТ этого класса осуществляется замкнутый процесс (цикл).

Цикл – это последовательность термодинамических процессов преобразования тепла в работу (или, наоборот), при которых термодинамические параметры рабочего тела в начале и в конце процесса совпадают.

Внутри ТТ рабочее тело, совершив определенные процессы, периодически возвращается в исходное состояние и не покидает пределов системы. Притока рабочего тела извне также не происходит.

Обмен энергией через границы системы происходит только в форме тепла Q и работы L. Уравнение энергетического баланса в этом случае имеет вид:

(1)

Процессы в циклических ТТ (как и в некоторых других ТТ) могут протекать с изменением термодинамических параметров рабочего тела во времени в каждой точке системы – нестационарные процессы, и без их изменения – стационарные процессы.

Цикл Карно может служить примером и нестационарного, и стационарного процесса одновременно, в зависимости от того, в каком конкретном техническом устройстве он реализуется. Как известно, он состоит из двух изотерм и двух адиабат. На рис. 7 и рис. 8 изображен цикл Карно в p,V и T,S – координатах.

Рис. 7. Рис. 8.

Описание цикла рассматривается в курсе термодинамики. Отметим лишь то, что примером системы, в которой протекает нестационарный процесс, может служить газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Все термодинамические параметры газа в цилиндре циклически изменяются со временем.

Пример системы, в которой протекает цикл со стационарным процессом, показан на рис. 9.

Рис. 9.

Параметры рабочего тела в каждой точке (1, 2, 3, 4) не меняются во времени, они стационарны. Изменение параметров происходит с перемещением вещества по контуру системы.

ТТ с разомкнутыми процессами. Квазициклические процессы.

Трансформаторами тепла с разомкнутыми процессами называют устройства, в которых рабочее тело, после совершения определенной последовательности процессов, выводится из системы (частично или полностью), а взамен него в систему поступают новые порции рабочего тела (непрерывно или периодически).

Таким образом, в отличие от циклических процессов, обмен энергией через границы системы происходит не только в виде тепла и работы, но и за счет энтальпии потока рабочего тела.

Уравнение теплового баланса в этом случае имеет вид:

(2)

где H_ВХ, Н_ВЫХ – энтальпии входящих и выходящих потоков рабочего тела.

Частным случаем разомкнутого процесса является квазицикл.

Квазицикл – это последовательность термодинамических процессов преобразования тепла в работу (или наоборот), при которых термодинамические параметры рабочего тела в начале и в конце процесса не совпадают и знак изменения энтропии рабочего тела в течении квазицикла меняется на обратный.

В нециклических разомкнутых процессах такого изменения энтропии не происходит. На рис. 10 и рис. 11 показаны диаграммы обратного квазицикла и нециклического разомкнутого процесса соответственно.

Рис. 10. Рис. 11.

Для квазицикла характерен подвод тепла Q₁ при росте энтропии рабочего тела от S₂ до S₃ и отвод тепла Q₂ с уменьшением энтропии от S₁ до S₂. Иначе говоря, при работе системы в режиме квазицикла, как и цикла, происходит трансформация тепла. В разомкнутом процессе есть только подвод тепла Q₁ и одностороннее изменение энтропии (в данном случае увеличение от S₁ до S_2).

Квазицикл может быть как обратным, так и прямым. В последнем случае тепло подводится на более высоком уровне, а отводится на более низком.

Квазициклы также могут быть либо стационарными, либо нестационарными.

Как правило разомкнутые квазициклы применяются в системах, где в качестве рабочего тела используют воздух (например, в струйных ТТ). В ряде случаев квазициклы имеют преимущества перед циклами в плане их технической реализации.

ТТ с нециклическими (ациклическими) процессами.

Трансформаторами тепла с нециклическими процессами называют устройства, при работе которых термодинамические параметры рабочего тела не меняются со временем.

Стоит отметить, что само рабочее тело в таких ТТ в традиционном смысле отсутствует. Примером могут служить термоэлектрические ТТ на эффекте Пельтье. В термоэлектронной паре, при пропускании через нее постоянного тока, происходит трансформация тепла без какого-либо изменения состояния термопары (при установлении стационарного режима) и без механического движения “рабочего тела”.