3. Термодинамические циклы тепловых двигателей

Энергетические установки тепловых и атомных электростанций представляют собой тепловые двигатели (паросиловые установки), способные превращать полученное при теплообмене рабочим телом количество теплоты в механическую энергию. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, называемого рабочим телом. В качестве рабочего тела используется питательная вода и водяной пар. Механическая энергия вращения паровой турбины с помощью электрогенератора преобразуется в электрическую энергию.

К тепловым двигателям относят не только паровые машины, но и двигатели внутреннего сгорания, дизельные двигатели и т.д. Характерной особенностью работы таких машин является циклический процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние рабочего тела. Наибольшее распространение в производстве механической энергии получили тепловые двигатели, работающие по термодинамическим циклам Ранкина и Карно. Именно они определяют теоретические и реальные показатели эффективности, экономичности работы того или иного теплового двигателя и энергетической установки в целом. Различным типам тепловых двигателей присущи различные круговые термодинамические циклы рабочего тела.

2.3.1. Термодинамический цикл Карно

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Термодинамический цикл Карно

Ц

(2.3)

икл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ нагревают тепловым резервуаром с температурой T₁, подводя к газу некоторое количество теплоты Q₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂. На адиабатическом участке (2–3) газ помещают в адиабатическую оболочку, и он продолжает расширяться без теплообмена, совершая работу A₂₃ . При этом температура газа падает до значения T₂. На изотермическом участке (3–4) газ приводят в тепловой контакт с холодным резервуаром, и происходит его сжатие. При этом газ отдает тепло Q₂ , совершая отрицательную работу A₃₄ . На последнем участке адиабатического сжатия (4–1) газ вновь помещают в адиабатическую оболочку. При сжатии газа его температура повышается до значения T₁ и совершается отрицательная работа A₄₁. Полная работа газа за цикл равна сумме работ на отдельных участках:

A = A₁₂ + A₂₃ + A₃₄ + A₄₁ .

На диаграмме (P,V) эта работа равна площади цикла. Заметим, что в замкнутом цикле A₂₃ = – A₄₁. Тогда

A

(2.4)

= A₁₂ + A₃₄ .

КПД цикла Карно представляет собой отношение теплоты, израсходованной на совершение работы, к подведенной теплоте:

(2.5)

.

Карно предложил выражать КПД цикла через температуры нагревателя и холодильника:

(2.6)

.

Цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при неизменных температурах нагревателя и холодильника, поскольку отсутствует теплообмен рабочего тела и окружающей среды при конечной разности их температур, когда тепло может передаваться без совершения работы. Заметим, что идеальное устройство, работающее по циклу Карно, является обратимой тепловой машиной, т.к. обход цикла против часовой стрелки будет соответствовать холодильной машине.

Один из самых распространенных тепловых двигателей – двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – работает по тому или иному термодинамическому циклу, соответствующему реальному циклу Карно. Существуют два типа ДВС – бензиновый и дизельный. Круговые термодинамические процессы изображаются на диаграмме (P,V) газообразного рабочего тела (смеси паров бензина или дизельного топлива с воздухом) с помощью замкнутых кривых (рис. 2.3).

Цикл карбюраторного бензинового двигателя состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). При расширении газ совершает положительную работу, равную площади под кривой 2–3, при сжатии – отрицательную работу, равную площади под кривой 4–1. Полная работа за цикл определяется разницей этих площадей.

Рис. 2.3. Термодинамические циклы карбюраторного

бензинового ДВС (1) и дизельного двигателя (2)

Дизельный двигатель работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Площадь внутри цикла отражает полную работу газа за цикл.

Реальный КПД карбюраторного двигателя порядка 30 %, дизельного – порядка 40 %.