1.4.16. Регенеративный цикл

В технической термодинамике широко применяется при исследовании процессов Т,s-диаграмма, на которой по оси ординат откладываются значения абсолютных температур, а по оси абсцисс ― значения энтропии.

На прошлом занятии мы определили, что наиболее экономичным циклом, который совершается в заданном интервале температур, является цикл Карно. Можно показать, что эффективность любого обратимого цикла может быть равной эффективности цикла Карно при условии, что хотя бы один процесс расширения и один процесс сжатия являются изотермическими. Что же касается других процессов расширения и сжатия, то они могут быть любыми другими политропными процессами, удовлетворяющими условию: у этих политропных процессов одинаковые температуры Т и отношение изменения энтропии ds к температуре Т ().

Такие кривые, удовлетворяющие этим условиям (одинаковости Т и )называются эквидистантными.

Рассмотрим пример такого обратимого цикла (рис.19), где процессы 1—а и 2—b представляют собой соответственно изотермы Т₁=const и Т₂=const, а политропные процессы а—2 (расширение) и b—1 (сжатие) ― эквидистантны.

Вследствие этого тепло, отведённое в процессе расширения а—2 и изображаемое площадью s₂―2―a―s_a, равно теплу, подведённому в эквидистантном процессе сжатия b―1 (площадь s_b―b―1―s₁).

Для возможности обратимого выполнения процесса а―2 требуется непрерывный ряд источников тепла с температурами от Т₁ до Т₂,воспринимающих отводимое тепло и такой же ряд источников вдоль процесса b―1, отдающих тепло. Такие вспомогательные источники тепла называются регенераторами.

Так как процессы а―2 и а―1 эквидистантны, то в любых соответствующих точках политропных процессов температура рабочего тела будут одинаковы, то есть для любых соответственных элементарных процессов расширения и сжатия отводимое тепло будет равно подводимому. Более того, если обеспечить непосредственный тепловой контакт рабочего тела в процессах а―2 и b―1, то можно вообще обойтись без вспомогательных источников тепла ― регенераторов. Такую передачу тепла внутри одного и того же цикла называют регенерацией тепла, а циклы с использованием части тепла, отводимого на одних участках, для подогрева рабочего тела на других эквидистантных им участках того же цикла называются регенеративными циклами или же обобщёнными циклами Карно.

Т

1 а

Т₁

Т_i

Т₂

b 2

S_b S₁ S₂ S_а S

Пар сконденсировался в конденсаторе и превратился в

конденсат (воду), затем он последовательно проходит

ряд подогревателей низкого и высокого давлений и

поступает в котёл. Перед котлом вода, которая

называется питательной, подогревается до 210÷270⁰С.

Чем она подогревается? А тем же рабочим телом ―

паром из отборов турбины, который пройдя оставшиеся

ступени, превращается в конденсат. То есть одно и то же

рабочее тело ― пар (газообразное рабочее тело) греет

самого себя в жидком состоянии, тем самым

восстанавливая некоторую часть тепла, то есть

происходит регенерация тепла рабочего тела.

Рис.19. Из этого примера работы паротурбинной установки

следует, что конденсационная паровая турбина может непрерывно работать при условии превращения пара в жидкость (конденсат). Это связано с тем, что часть тепла рабочего тела должна быть безвозвратно поглощена в конденсаторе. Аналогично этому в любой другой теплосиловой установке можно всегда установить наличие двух разнотемпературных источников тепла.

Всё это относится к обратимым термодинамическим процессам. Но, как известно, все реальные процессы необратимы. Если осуществить какой-либо цикл в условиях внутренней необратимости отдельных процессов, например, с трением, то результатом необратимости будет уменьшение полезной работы. Так, в частности, если в цикле Карно использовать необратимость процессов, то эти процессы уже не будут адиабатными (изоэнтропными), а это значит, что внутренняя необратимость процесса вызывает дополнительный прирост энтропии.