Билет №15

1) Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов.

Цикл Карно назван в честь французского военного инженера Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

2)------------------------------

3)--------------------------

Билет №3

1) В 1904 г Г. Тринклер предложил использовать в двигателях высокого давления форсунку, способную распылять топливо без помощи сжатого воздуха. Горение топлива при этом происходит в два этапа. На первом этапе происходит накопление и испарение топлива образовавшаяся смесь сгорает почти мгновенно (изохорное горение). На втором этапе происходит сгорание оставшейся части топлива выходящей из форсунки (изобарное горение).

Для изохоры 4-1 используя уравнения адиабат и , имеем: где степень повышения давления в процессе изохорного подвода тепла. Для изохоры 2-z . Поскольку то Подставив в уравнение термического КПД вместо отношений температур их значения, получаем:

2)В основе работы современных теплосиловых установок, использующих в качестве рабочего тела водяной пар, лежит цикл, предложенный шотландским инженером У.Ренкиным в 50х годах 19 века. Схема простейшей паросиловой установки включает в себя паровой котел (1) с пароперегревателем (2) паровую турбину (3) конденсатор (4) питательный насос (5)

Процесс 3-4 кипение; 4-5 парообразование; 5-1 перегрев; 1-2 расширение в турбине; 2-3 конденсация. Весь процесс подвода тепла (3-4-5-1) протекает при одном и том же давлении.

Поскольку энтальпия точки 3 представляет собой энтальпию кипящей жидкости при давлении P2 то можно записать Величину термического КПД удобно определять с помощью hS диаграммы. Рассмотрим как параметры пара влияют на КПД Для обратимого цикла: . Следовательно, КПД возрастет, если температуру подвода увеличивать, а отвода уменьшать. Если увеличить P1 при неизменных T1 P2 средняя температура подвода тепла увеличится. В тоже время возрастет влажность отработавшего пара, что ухудшает условия работы последних степеней турбины. Если увеличивать T1 без изменения P1 и P2 то КПД так же будет возрастать, а влажность пара в конце расширения наоборот уменьшится. Следовательно, для повышения КПД целесообразно одновременное повышение начальных параметров. Снижение конечного давления при сохранении начальных параметров так же приводит к повышению КПД по этому, в конденсаторе стремятся поддерживать глубокий вакуум. Однако лучшие установки работают в диапазоне КПД 0,3-0,35 Установка с промперегревом.

Перегретый пар подается в часть высокого давления турбины, где расширяется до некоторого промежуточного давления. Затем пар отправляют в котельный аппарат, где он вторично нагревается до той же температуры, однако, уже при более низком давлении. В части низкого давления пар расширяется до конечного давления. Одной из основных задач такого цикла является повышение сухости пара в конце его расширения. Также промперегрев повышает КПД на 2-3%

Существенное повышение экономичности паросиловых установок достигается путем применения регенеративного подогрева питательной воды теплом пара отбираемого из турбины.

1-2 перегрев 2-3 расширение в турбине 3-4 конденсация 5-6 подогрев основного конденсата. -доля пара взятого для отбора . С увеличением числа отборов КПД возрастает. Однако, учитывая сложность и удорожание установки, число отборов ограничивают 5-10. Так же используют отвод тепла потребителю для повышения КПД.

3) Искусственные холодные среды. Для их получения необходим перенос теплоты с низкого на более высокий температурный уровень, к-рым, как правило, является т-ра окружающей среды. Этот перенос осуществляется с использованием т. наз. обратимых круговых термодинамич. циклов, к-рые в пром-сти обычно реализуются в холодильных установках. В последних холодная среда создается с помощью рабочих тел, наз. холодильными агентами или просто хладагентами (вода, NH3, пропан-пропиленовые смеси, хладоны, сжиженные газы - воздух, N2, Н2, Не и др.).  В лаб. практике холодные среды получают, приготовляя т. наз. охлаждающие смеси- системы из двух или неск. твердых (либо твердых и жидких) в-в, при смешении к-рых вследствие поглощения теплоты при плавлении или растворении происходит понижение т-ры. Наиб. употребительны смеси из льда и NaCl (достигаемая т-ра от -20 до - 21,2 °С), льда и СаС12 х 6Н2О (-40 °С), твердого СО2 и этанола (-77 °С) и др. Для достижения криогенных т-р в лабораториях применяют сжиженные газы, напр. N2 (см. также Теплообмен).

Термодинамические основы получения холода. Согласно второму началу термодинамики, указанный выше перенос теплоты самопроизвольно не происходит, требуя затрат работы. В термодинамич. процессах подвод или отвод теплоты q описывается через изменение энтропии dS системы: dq = TdS, где Т - т-ра. Отсюда следует, что при подводе к телу теплоты его энтропия возрастает, а при отводе теплоты -уменьшается. В непрерывных холодильных процессах хладагент должен принять теплоту от охлаждаемого тела на ниж. температурном уровне, отдать теплоту на верх. уровне к.-л. теплоприемнику и вернуться в исходное состояние. Поэтому в установившемся процессе суммарная энтропия хладагента не изменяется (dS=0).  Поскольку при передаче теплоты от охлаждаемого тела энтропия хладагента повышается, в любой холодильной установке должен проходить иной (компенсирующий) процесс, при к-ром энтропия хладагента уменьшается. В общем случае энтропия м. б. представлена как ф-ция т-ры и к.-л. другого параметра тела (напр., давление, фазовое состояние, степень намагниченности). Поэтому, если имеется изотермич. или близкий к нему процесс, в к-ром наблюдается значит. изменение энтропии при изменении иного параметра, то подобный процесс можно рассматривать как потенциальную основу для создания холодильных установок. К таким процессам относятся, напр., изотермич. процессы сжатия либо адсорбции газов, намагничивания парамагнетиков и сверхпроводников. При этом низкая т-ра достигается соотв. в адиабатич. процессах расширения и десорбции газов, размагничиванияпарамагнетиков и сверхпроводников (см. ниже).  Перечисленные и иные процессы искусств. охлаждения в большинстве случаев осуществляются: 1) путем теплообмена между охлаждаемыми в-вами и хладагентами - испаряющимися низкокипящими жидкостями, т-ра к-рых за счет уменьшения энтальпии i понижается до т-ры кипения при давлении испарения; 2) изоэнтальпийным (i = const) расширением газов, предварительно сжатых в компрессорах, или жидкостей при их прохождении через сужение (вентиль, кран, пористая перегородка), т. е. их дросселированием (процесс протекает адиабатически без совершения внеш. работы) с использованием эффекта Джоуля - Томсона, или дроссельного эффекта,- отрицат. либо положит. изменения т-ры тела при отсутствии подвода к телу или отвода от него теплоты; 3) адиабатическим (изоэнтропийным, S = const) расширением газов с совершением внеш. работы в т. наз. детандерах - машинах, устроенных подобно поршневому компрессору или турбокомпрессору (см. Компрессорные машины); 4) сочетанием обоих методов расширения. Эти и другие методы получения холода рассмотрены ниже.

Принцип работы холодильных установок. Его удобно иллюстрировать с помощью идеального (воображаемого) холодильного процесса (цикла) в координатах р - V (рис. 1; р, V- давление в системе и ее объем). При сжатии в компрессоре (процесс ВbА)рабочего тела его т-ра Т повышается; при этом в окружающую среду с т-рой Т0 передается удельная (на единицу кол-ва хладагента) теплота q0 (площадь AbBdcA)и энтропия рабочего тела понижается; в конце сжатия Т = Т0. При послед. расширении (процесс АаВ)хладагента его т-ра понижается. Затем к нему от охлаждаемой среды переносится теплота qx(площадь AaBdcA)и энтропия рабочего тела возрастает.  Повторяя указанные процессы, получают непрерывный круговой холодильный цикл с постоянной холодопроиз-водительностью qx (кол-во теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела). Расходуемая в цикле мех. работа lц (площадь АаВbА), параметры q0 и qx по закону сохранения энергии связаны между собой выражением: q0 = qx + lц. Энергетич. показатели цикла характеризуются т. наз. холодильным коэффициентом Во всех идеальных циклах lцминимальна, а e максимален.

Рис. 1. Идеальный холодильный цикл.

Идеальные холодильные циклы и установки

Термодинамич. совершенство реального (необратимого) цикла оценивается сравнением его параметров с параметрами идеального (обратимого) цикла. Отношение холодильного коэф. реального цикла к холодильному коэф. соответствующего идеального цикла наз. термодинамическим коэффициентом цикла  Известны схемы и параметры ряда идеальных циклов: охлаждения, термостатирования, конденсации, сжижения и др.

Идеальный цикл охлаждения. Схема установки, работающей по этому циклу, и его изображение в координатах Т -S показаны на рис. 2 (здесь и далее точками 1, 2, 3,..., п обозначены стационарные характерные состояния рабочего тела, а изменения его параметров, отвечающие происходящим в установке процессам, изображены линиями 1-2 и т.д.). Хладагент изотермически сжимается в компрессоре K1 от давления р1 до давления р2(процесс 1-2), при этом теплота сжатия q0 отдается в окружающую среду. Затем происходит адиабатич. расширение рабочего тела в детандере (процесс 2-3, S = const), где за счет совершения работы lд хладагентом его т-ра понижается до Тx=Т3. В теплообменнике ТО рабочее тело нагревается (процесс 3-4) до т-ры Т4 путем подвода к нему теплоты qxот охлаждаемого тела (процесс 4'-3') и адиабатически сжимается (процесс 4-1) в компрессоре К2 до начальных параметров (точка 1). Процесс в ТО характеризуется отсутствием гидравлич. потерь, а также равенством т-р охлаждаемого и рабочего тел во всех сечениях аппарата. Т-ра охлаждаемого тела уменьшается, а затрачиваемая работа lц = lK1 + lK2 - lд = q0 - qx, где lK1 и lK2 - работы изотермич. и адиабатич. сжатия хладагента в компрессорах.

Рис. 2. Идеальный цикл охлаждения.

В тепловых расчетах холодильных циклов удобно использовать связь между изменением энтальпии di хладагента и изменениями его теплоты и рабочих параметров, выражаемую ур-нием: di = dq + Vdp. Отсюда для наиб. распространенного на практике изобарного охлаждения имеем: qx = i4 - i3 и lц = T0(S1 - S2) - (i4 - i3), гдe i3 и i4 - энтальпии рабочего тела. На рис. 2 работе lц эквивалентна площадь 12341, кол-ву отведенной теплоты q0 - площадь 12ab1, кол-ву подведенной к хладагенту или отведенной от охлаждаемого тела теплоты qx - площадь аb43а (здесь и далее заштрихована). В общем случае обратимый процесс 3-4 м. б. не только изобарным, тогда

где С - теплоемкость хладагента.

Рис. 3. Идеальный цикл термостатирования.

Этот цикл принимается в качестве идеального для воздушных холодильных, а также криогенных газовых и рефрижераторных установок .

Билет 2

По имени немецкого инженера Р. Дизеля построившего в 1897 году двигатель работающий по этому принципу, двигатели высокого сжатия называют дизельными. Применения форсунок с воздушным распылением позволяет так отрегулировать процесс горения, что он протекает при P=const. В остальном аналогичен циклу Отто. и

ЦИКЛ ДВС ДЛЯ V=CONST

или Значит что КПД такого цикла зависит только от степени сжатия ε с увеличением которой КПД возрастает.

ЦИКЛ ЛИНДЕ

2.Цикл с регенерацией Рассмотрим цикл с однократным дросселированием и регенерацией (рис. 3.2). Этот цикл был первым криогенным циклом, который нашёл практическое применение в технике. Цикл с регенерацией (в виде отдельной ступени с дросселированием) является элементом большей части современных криогенных установок. Впервые цикл реализовали в 1895 г. независимо друг от друга Линде в Германии и Хэмпсон в Англии.  Рассмотрим контур, выделенный пунктиром, на рис. 3.2. Запишем энергетический баланс для выделенного контура  3.2. Цикл с однократным дросселированием и регенерацией 1 – 2 – изотермическое сжатие; 2 – 3 – изобарное охлаждение прямого потока обратным; 3 – 4 – дросселирование; 4 – 5 – процесс подвода тепла (в рефрижераторных циклах); 5 – 1 – изобарный подогрев обратного потока.  (3.4) Из полученного выражения следует, что и в цикле с регенерацией (как и в цикле без регенерации) холодопроизводительность цикла q0 определяется величиной интегрального изотермического дроссель-эффекта. Следовательно, включение регенеративного теплообменника, не изменив численно количество получаемого холода q0, понизило его температуру, т.е. сделало холод более ценным. Используя очевидное выражение для теплового баланса регенеративного теплообменника, можно привести и иную запись для холодопроизводительности цикла  (3.5) Последнее выражение, где холодопроизводительность определяется положением точек 5 и 4 рассматриваемого цикла , более привычно для выражения холодопроизводительности при рассмотрении циклов установок умеренного холода. По сравнению с выражением (3.4) оно менее информативно, так как прямо не указывает на источник производства холода. Приведём также выражения для работы и холодильного коэффициента  (3.6) Перепишем тепловой баланс для регенеративного теплообменника, выразив разность энтальпий потоков через величины соответствующих темлоёмкостей (прямого и обратного потоков) и разностей температур на концах теплообменика. Исходя из того, что изобарная теплоёмкость растёт с ростом давления, можно заключить, что Ср2 большая величина (условно "б"), а Ср1 малая величина (условно "м"). Отсюда, как следствие, получаем неравенства, приведенные в (3.7)  (3.7) Уменьшение необратимости процесса дросселирования, таким образом, связано с тем, что при низких температурах изоэнтальпы идут круто, приближаясь к адиабатам; при высоких  температурах, наоборот, изоэнтальпы идут полого, приближаясь к изотермам, поэтому процесс 3 – 4 (рис. 3.2) более обратим, чем процесс 2 – 3 (рис. 3.1).  3. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИКЛА ЛИНДЕ Запишем выражения для основных энергетических показателей цикла Линде  (3.8)  Анализ выражения для холодопроизводительности цикла с однократным дросселированием и регенеративным теплообменом показывает, что величина холодопроизводительности цикла является функцией давления сжатия, растёт с ростом Р2 и достигает максимума, если давление сжатия (давление прямого потока) становится равным давлению инверсии. Последнее связано с характером изменения интегрального изотермического дроссель-эффекта. Можно показать, что в диаграмме энтальпия – энтропия линии инверсии дроссель – эффекта и изотермического дроссель – эффекта совпадают и проходят через точки минимума изотерм. Значение давления прямого потока, соответствующего максимуму холодильного коэффициента может быть определено путём вариантных расчётов ряда циклов, в которых все параметры являются фиксированными , за исключением давления сжатия. Такой метод определения давления прямого потока использовался до последнего времени. Метод, хотя и приводил к требуемым результатам, однако, являлся громоздким. Рассматриваемая задача может быть решена аналитически и представлена графически. Определение оптимального давления, соответствующего максимуму холодильного коэффициента, может быть осуществлено аналитически и достаточно наглядно представлено графически в тепловой диаграмме i – s.  Для определения давления, соответствующего максимуму холодильного коэффициента, найдём производную холодильного коэффициента по давлению сжатия и приравняем её нулю.  (3.9 ) Анализ полученного дифференциального уравнения показывает, что оно может быть решено как аналитически ( с использованием термического или теплового уравнения состояния ), так и графически ( с использованием тепловой диаграммы энтальпия – энтропия ). Графическая интерпретация результатов, полученных выше, состоит в том, что для определения давления, соответствующего максимуму холодильного коэффициента, следует из точки 1 к изотерме Токр.ср. провести касательную; изобара, проходящая через полученную точку, и будет определять искомое давление ( рис. 3.3 ). На рисунке 3.3 изображён произвольный цикл с однократным дросселированием и регенеративным теплообменом 1-2-3-4-5-1; прямой поток имеет давление Р2, а обратный поток давление Р1.  Как видно из рисунка, давление Р2q0max, при котором наблюдается максимум холодопроизводительности, соответствует изобаре, проходящей через точку пересечения линии инверсии и изотермы окружающей среды Токр.ср. . Рис. 3.3. Определение давления, отвечающего максимуму холодильного коэффициента, в диаграмме энтальпия-энтропия Анализ полученных уравнений и графическая интерпретация их в диаграмме энтальпия –энтропия показывает , что давление P2', соответствующее максимуму холодильного коэффициента, меньше давления инверсии Pинв..

Сопоставление циклов ДВС и ГТУ

1. ГТУ более совершенен, так как в нем осуществляется полное расширение газов до давления окр. среды, тогда как в ДВС происходит изохорный отвод тепла, который приводит к потере работы расширения.

2. ГТУ имеют меньший термический КПД так как температура подвода тепла в них много меньше.

3. ГТУ могут достигать единичной мощности 100-200 МВт в сравнении с 3МВт у ДВС.

4. ГТУ имеют хорошую динамическую уравновешенность, поскольку не имеют масс, движущихся возвратно поступательно.

5. ГТУ имеют более высокие скорости вращения.

6. В ГТУ возможно применение более дешевых видов топлива, чем в ДВС по этому их эксплуатация обходится дешевле.

ПАРОИНЖЕКТОРНАЯ УСТАНОВКА