Лекции / Лекция 10
.pdf7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Энергоисточники: органическое топливо, ядерное топливо, энергия солнца, гидроэнергия, энергия ветра, приливов, геотермальная, …
В современной промышленной электроэнергетике преобразование энергии энергоисточника в электрическую осуществляется по следующей схеме: энергии энергоисточника → тепловая энергия → механическая энергия → электрическая энергия. Такой способ преобразования энергии называется машинным, который осуществляется в тепловых двигателях.
Тепловой двигатель - преобразователь энергии, осуществляющий круговые процессы (циклы), в которых теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, превращается в полезную работу.
Вещество, за счет изменения состояния которого получают полезную работу называют рабочим телом (средой).
СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Прямое преобразование энергии
Но возможно непосредственное или прямое преобразования энергии химических связей, содержащейся в веществе энергоисточника, в
электроэнергию. Это электрохимический способ
(батарейки, топливные элементы,…)
Преобразование тепловой энергии в электрическую, минуя механическую ступень, также относится к
прямому |
преобразованию |
энергии. |
Это |
термоэлектрическое, |
термоэмиссионное, |
||
фотоэлектрическое и магнитогидродинамическое преобразование энергии.
СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Циклы тепловых двигателей:
-Газовые циклы – рабочее тело газ,
-Паровые циклы – рабочее тело в цикле меняет свое агрегатное состояние ( жидкость, двухфазная смесь, перегретый пар).
Возможны комбинированные газо-паровые циклы, в которых объедены газовый и паровой циклы и используется две рабочих тела.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
Работа расширения: |
Lрасш = |
p dV |
|
|
|
|
|
|
|
|
1−2 |
Работа сжатия: |
сж |
= 2−1 dV = |
− 1−2 dV |
, |
|
|
для этого необходимо затратить энергию от внешнего источника.
Если система совершает равновесный круговой процесс, то работа, произведенная рабочим телом за один цикл
ц = d = расш − сж
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
Если Lрасш > Lсж – цикл теплового двигателя, в
котором от источника тепла с высокой температурой к рабочему телу подводится теплота Q1, а теплота Q2, выделяющая при сжатии р.т., отводится к источнику тепла с низкой температурой (к окружающей среде). Это прямой цикл.
Если Lрасш < Lсж – цикл холодильной установки
(теплового насоса), в котором от источника с низкой температурой забирается теплота Q2, а к источнику с
высокой |
|
температурой |
передается |
теплота |
||||
Q |
1 |
= Q |
2 |
+ |
L |
сж. Работа L |
сж – по сжатию рабочего |
|
|
|
|
|
пол |
пол |
|
||
тела затрачивается от внешнего источника. Это обратный цикл.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ
Работа, произведенная рабочим телом в равновесном цикле (используем pdV = d(pV) – Vdp):
ц = 1−2 dV − 1−2 d |
= (pV)2 |
– (pV)1 – 1−2 dp − |
|||||
(pV)2 + (pV)1 + 1−2 dp = |
|
|
|
|
|
||
= – |
dp − (− |
dp) = L |
расш − L |
пол |
сж = L . |
||
1−2 |
1−2 |
|
|
пол |
|
пол |
|
Таким |
образом, |
ц равна |
полезной |
работе, |
произведенной рабочим телом в цикле: |
|
|||
|
ц = − d = пол . |
|
||
Количественно работа цикла также равна площади, охваченной контуром цикла.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Воспользуемся основным уравнением ТД
T dS =dH −V dp
Учитывая, что
d = 0, − d = пол = dS
Согласно 2-му закону термодинамики dQ =T dS , тогда
теплота, подведенная к р.т. в цикле (dS>0):
1 = d
теплота, отведенная от р.т. (dS<0):
2 = − d
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Термический КПД обратимого цикла:
= |
пол |
= d / |
d |
= 1 − d / |
d |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
или |
|
|
|
|
|
|
|
ηt |
= 1 – Q2 /Q 1 . |
|
|
||
η =1− |
T |
J |
|
ос |
|
S |
|
|
|
||
t |
J |
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
JE - поток, т.е. количество подведенной в двигатель энергии за единицу времени,
JQ = Тос Js - поток переданной окружающей среде теплоты, Js - поток энтропии в окружающую среду за единицу времени.
ПОТЕРИ РАБОТЫ ВСЛЕДСТВИЕ НЕОБРАТИМОСТИ ПРОЦЕССА
Если в процессе перехода из состояния 1 в состояние 2 рабочее тело получает от внешнего источника с постоянной температурой T0 количество удельной теплоты q, то полезная удельная работа этого процесса определяется выражением
|
|
l |
пол |
= q − (h |
− h ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
причем q = -T0 |
sист, если T0 = const. Источник и рабочее тело образуют |
||||||||
изолированную |
систему |
и в ней |
происходит необратимый процесс |
||||||
(теплообмен), тогда |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
sсист = |
sист + |
sр.т. = |
sист + (s2-s1) |
||||
и для полезной работы можно записать |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
пол = 1 |
− 2 − 0 |
1 |
− 2 |
− 0 сист |
, |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где T0 сист - потери полезной работы вследствие необратимости
процесса в системе (в данном вследствие теплообмена).
ПОТЕРИ РАБОТЫ ВСЛЕДСТВИЕ НЕОБРАТИМОСТИ ПРОЦЕССА
Если, процесс обратимый, то
T0 сист = 0
и рабочее тело произведет максимальную полезную работу
l |
макс |
= h − h |
−T |
(s |
− s |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пол |
1 |
2 |
ист |
1 |
|
2 |
|
.
Работоспособность (l0 ): максимальная полезная работа, которую может произвести рабочее тело при переходе из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой
Введем понятие
Lд пол
l0 = h – h0 – T0 (s –
эксергии e = h −T0 s
lполмакс = e1 − e2
и потери полезной работы ∆lпол = e1 – e2 – lпол .