Роль тепловых. Роль тепловых машин в жизни человека
В объемных нагнетателях
Объемные нагнетатели:
поршневые
ротационные
Поршневые детандеры
Насосы
Насосы – гидравлические машины для подъема и перемещения жидкостей.
Лопастные (центробежные, осевые, вихревые)
Объемные (поршневые, плунжерные)
Ротационные (шестерёнчатые, шиберные, винтовые)
Струйные (инжекторы и эжекторы).
В объемных насосах передача энергии производится принудительным воздействием рабочего тел на перемещаемую среду и ее вытеснением. В лопастных насосах преобразование мех. энергии в гидравлическую производится вращающимся колесом, снабженными лопастями.
Вентиляторы
Вентиляторы - это механические устройства, служащие для перемещения воздуха по воздуховодам, или непосредственной подачи либо отсоса воздуха из помещения. Перемещение воздуха происходит из-за создания перепада давления между входом и выходом вентилятора.
Вентиляторы подразделяются на типы по нескольким показателям:
Компрессоры
Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную для сжатия и подачи воздуха или какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.
Объемные компрессоры работают по принципу вытеснения, когда давление перемещаемой среды повышается в результате сжатия. К ним относятся поршневые и роторные компрессоры.
Динамические компрессоры работают по принципу силового действия на перемещаемую среду. К ним относятся лопастные (радиальные, центробежные, осевые) нагнетатели и нагнетатели трения (вихревые, дисковые, струйные и т.п.).
Лопастными называют компрессоры, в которых среда перемещается за счет энергии, передаваемой ей при обтекании лопастей рабочего колеса.
Классификация тепловых двигателей:
Тепловые двигатели – это машины, в которых тепловая энергия рабочей среды преобразуется в механическую работу.
Тепловые двигатели:
Паровые турбины. Пар, образующийся в паровом котле, расширяясь, под высоким давлением проходит через лопатки турбины. Турбина вращается и производит механическую энергию, используемую генератором для производства электричества.
Газовая турбина, тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Двигатель Стирлинга - двигатель внешнего. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу.
КПД компрессоров.
В энергетике под КПД обычно понимают отношение полезно используемой энергии ко всей затраченной. И чем выше процент полезно используемой энергии из всего её затраченного количества, тем выше КПД. В случае компрессорных машин такое определение КПД оказывается неприемлимым.
Поэтому для оценки степени совершенства реальных компрессорных машин их сравнивают с идеальными. При этом для охлаждающих компрессоров вводится изотермический КПД:
ηиз = lиз / lд =Nиз/ Nд
lиз - работа на привод идеального компрессора при изотермическом сжатии,
lд - действительная работа на привод реального охлаждаемого компрессора,
Nиз,Nд - соответствующие мощности приводных двигателей;
Преимущества ПГУ
· Парогазовые установки позволяют достичь электрического КПД более 50 %. Низкая стоимость единицы установленной мощности
· Парогазовые установки потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии по сравнению с паросиловыми установками
· Короткие сроки возведения (9-12 мес.)
· Нет необходимости в постоянном подвозе топлива ж/д или морским транспортом
· Компактные размеры позволяют возводить непосредственно у потребителя (завода или внутри города), что сокращает затраты на ЛЭП и транспортировку эл. энергии
· Более экологически чистые в сравнении с паротурбинными установками
Недостатки ПГУ
· Низкая единичная мощность оборудования (160-972,1 МВт на 1 блок), в то время как современные ТЭС имеют мощность блока до 1200 МВт, а АЭС 1200-1600 МВт.
· Необходимость осуществлять фильтрацию воздуха используемого для сжигания топлива
Место и роль тепловых двигателей в системах тепло энергоснабжения промпредприятий
Наибольшее распространение в народном хозяйстве получили лопастные насосы. Создаваемый ими напор может превышать 3500 м, а подача - 100 000 м3/ч в одном агрегате.
В теплоэнергетических установках для питания котлов, подачи конденсата в системе регенеративного подогрева питательной воды, циркуляционной воды в конденсаторы турбин, сетевой воды в системах теплофикации применяются центробежные насосы.
В последнее время в связи с ростом мощности паровых турбин в конденсационных установках иногда применяют осевые насосы.
Центробежные и струйные насосы применяются на ТЭС в системах гидрозолоудаления.
Струйные насосы используются для удаления воздуха из конденсаторов паровых турбин.
Из объемных насосов в теплоэнергетике применяют поршневые насосы для питания паровых котлов малой паропроизводительности. Роторные насосы употребляются на электростанциях в системах смазки и регулирования турбин.
На ТЭС поршневые компрессоры служат для обдува поверхностей нагрева котлов с целью их очистки от летучих золы и сажи и снабжения сжатым воздухом пневматического ремонтного инструмента.
5-2. Классификация и область применения нагнетателей объемного действия и поршневых детандеров
Нагнетатель - гидравлическая машина, в которой происходит преобразование механической работы в механическую энергию рабочей среды. Основное назначение нагнетателя - повышение полного давления перемещаемой среды.
В объемных нагнетателях повышение энергии рабочего тела достигается силовым воздействием твердых рабочих тел.
Объемные нагнетатели:
поршневые - работающие при поступательном движении рабочего органа,
ротационные - нагнетатели, работающие при вращательном движении рабочего органа.
Назначение детандеров - максимальное понижение температуры при расширении газа с совершением внешней работы. Два основных типа: поршневые и турбодетандеры. Первые используют в установках малой производительности высокого и среднего давления воздуха. Вторые применяют преимущественно в больших установках, где расширение газов в них происходит большей частью с низкого давления.
Поршневые детандеры работают при более высоких начальных температурах газов вплоть до температуры окружающей среды (процесс Гейландта). Турбодетандеры, если не считать пускового периода, работают при более низких температурах.
Работу, совершаемую детандером, используют для выработки электроэнергии. Это позволяет в установках газообразного кислорода уменьшить расход энергии на сжатие воздуха, поступающего в установку, на 3-4%.
Поршневые детандеры
Поршневые детандеры установок газообразного кислорода предназначены для охлаждения относительно небольших количеств воздуха (несколько сот кубических метров в час)" при больших степенях расширения (от 6 до 30). Принцип действия поршневых детандеров заключается в передаче работы расширения газа в цилиндре коленчатому валу машины через кривошипно-шатунный механизм. Поршневые детандеры выпускают в вертикальном и горизонтальном исполнении, и в зависимости от начальных параметров воздуха они относятся к машинам высокого или среднего давления.
Рабочий процесс в детандере складывается из шести процессов.
Процесс 1-2 (наполнение) протекает с открытым впускным клапаном
Процесс 2-3 (расширение) протекает при закрытых клапанах; количество газа в цилиндре постоянно.
Процесс 3-4 (выхлоп) происходит тогда, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Расширенный газ выходит через открытый выпускной клапан.
Процесс 4-5 (выталкивание) происходит во время движения поршня от НМТ. Расширенный и охлажденный газ при постоянном давлении выталкивается из цилиндра в трубопровод за детандером, где смешивается с той частью газа, которая была выпущена из цилиндра в процессе 3-4. Выталкивание заканчивается в точке 5, когда выпускной клапан закрывается.
Процесс 5-6 (обратное поджатие). В течение этого процесса оставшийся в цилиндре газ сжимается при дальнейшем обратном движении поршня к ВМТ. При этом давление и температура газа повышаются. Процесс 6-1 (впуск) начинается в точке 6, когда открывается впускной клапан.
На рис. 85 показаны индикаторные диаграммы реального детандера среднего давления.
а - диаграмма давлений; б - диаграмма температур
Описание презентации по отдельным слайдам:
1 слайд
Описание слайда:
Тепловые двигатели. К.П.Д. теплового двигателя. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве
2
слайд
Описание слайда:
Тепловой машиной называется устройство, в котором внутренняя энергия превращается в механическую. Примеры тепловых машин: Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) а) карбюраторный двигатель б) дизельный двигатель в) реактивный двигатель Паровые и газовые турбины. Что такое тепловая машина?
3
слайд
Описание слайда:
Первые тепловые двигатели Кто и когда изобрёл? Деви Папин – английский физик, один из изобретателей парового двигателя. 1680г. – Изобрёл паровой котёл 1681г. – Снабдил его предохранительным клапаном 1690г. – Первым использовал пар для поднятия поршня и описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя. 1707г. – Представил описание своего двигателя
4
слайд
Описание слайда:
Кто и когда построил? Конец 18 века – построены первые паровые машины. 1774 год – английским изобретателем Джеймсом Уаттом построена первая универсальная паровая машина. С 1775 по 1785 г. – фирмой Уатта построено 56 паровых машин. С 1785 по 1795г. – той же фирмой поставлено уже 144 такие машины.
5
слайд
Описание слайда:
Первый паровой автомобиль 1770г. Жан Кюньо – французский инженер, построил первую самодвижущуюся тележку, предназначенную для передвижения артиллерийских орудий
6
слайд
Описание слайда:
«Младший брат» - паровоз 1803г. – Английский изобретатель Ричард Тревитик сконструировал первый паровоз. Через 5 лет Тревитик построил новый паровоз. он развивал скорость до 30 км/ч 1816г. – Не имея поддержки, Тревитик разорился и уехал в Южную Америку
7
слайд
Описание слайда:
Решающая роль 1781-1848г. – Английский конструктор и изобретатель Джордж Стефенсон 1814г. – Начал заниматься строительством паровозов. 1823г. – Основал первый в мире паровозостроительный завод 1829г. – На соревновании лучших локомотивов первое место занял паровоз Стефенсона «Ракета». Его мощность составляла 13 л.с., а скорость 47 км/ч.
8
слайд
Описание слайда:
Двигатель внутреннего сгорания 1860г. – Французским механиком Ленуаром был изобретён двигатель внутреннего сгорания 1878г. – Немецким изобретателем Отто сконструирован четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. 1825г. – Немецким изобретателем Даймлером был создан бензиновый двигатель внутреннего сгорания Примерно в то же время Бензиновый двигатель был разработан Костовичем в России.
9
слайд
Описание слайда:
Двигатели Дизеля 1896г. – Немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. Это наиболее экономичные тепловые двигатели 1)работают на дешёвых видах топлива 2) имеют КПД 31-44% 29 сентября 1913г. Сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.
10
слайд
Описание слайда:
Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть рабочее вещество, или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель, где рабочее вещество получает энергию и холодильник отбирающий у рабочего тела тепло. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.
11
слайд
Описание слайда:
12
слайд
Описание слайда:
КПД теплового двигателя (машины) Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики. Что это такое?
13
слайд
Описание слайда:
Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).
14
слайд
Описание слайда:
В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости. В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:
15
слайд
17
слайд
Описание слайда:
Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания). Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца. Экологические последствия работы тепловых двигателей
18
слайд
Описание слайда:
Человек собирается купить автомобиль сроком на три года, но не может выбрать, какой автомобиль приобрести, с дизельным двигателем, который стоит 23 тысячи долларов, либо автомобиль с бензиновым двигателем стоимостью 20 тысяч долларов. Мощности автомобилей одинаковые и равны 100 кВт. За год он на автомобиле планирует проезжать около 10 тысяч километров. Средняя скорость движения 72 км/ч. Какой вариант покупки экономически будет более выгодным? Цена за один литр: дизельное топливо 15 руб., бензин 18 руб. Плотность бензина 710 кг/м3 диз. топливо 820 кг/м3. Удельная теплота сгорания соответственно 156*10^6 Дж./кг, 127*10^6. Дж/кг.
В настоящее время невозможно назвать ни одну область производственной деятельности человека, где бы ни использовались тепловые установки. Космическая техника, металлургия, станкостроение, транспорт, энергетика, сельское хозяйство, химическая промышленность, производство пищевых продуктов - вот далеко не полный перечень отраслей народного хозяйства, где приходится решать научные и технические вопросы, связанные с тепло установками.
В тепловых двигателях и тепловых установках происходит преобразования теплоты в работу или работы в теплоту.
Паровая турбина-это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно соединяется с валом рабочей машины, который может быть электрогенератор, гребной вент и др.
Применение тепловых двигателей в железнодорожном транспорте особенно велико, т.к. с появление тепловозов на железнодорожных магистралях облегчило перевоз основных масс грузов и пассажиров во всех направлениях. Тепловозы появились на советских железных дорогах более полувека назад по инициативе В.И. Ленина. Дизели приводят в движение тепловоз непосредственно, а с помощью электрической передачи - генераторов электрического тока и электродвигателей. На одном валу с каждым дизелем тепловоза находится генератор постоянного электрического тока. Вырабатываемый генератором электрический ток поступает в тяговые электродвигатели, находящиеся на осях тепловоза. Тепловоз сложнее электровоза и стоит дороже, зато он не требует контактной сети, тяговых подстанций. Тепловоз можно использовать везде, где только уложены железнодорожные пути, и в этом его огромное преимущество. Дизель - экономичный двигатель, запаса нефтетоплива на тепловозе хватает на долгий путь. Для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов построили тяжелые грузовые автомобили, где вместо бензиновых двигателей появились более мощные дизельные двигатели. Такие же двигатели работают на тракторах, комбайнах, судах. Применение этих двигателей намного облегчает работу человека. В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который мог бы работать не только на бензине, но и на любом другом топливе: керосине, нефти. Также двигатели назвали дизелями.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Еще две с лишним тысячи лет назад, в 3 веке до н. эры, великим греческим механиком и математиком Архимедом построившим пушку, которая стреляла с помощью пара.
Сегодня в мире насчитывается сотни миллионов тепловых двигателей. Например, двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д. Наблюдение, что изменения температуры тел постоянно сопровождаются изменениями их объемов, относятся уже к отдаленной древности, тем не менее, определение абсолютной величины отношения этих изменений принадлежит только новейшему времени. До изобретения термометров о подобных определениях, разумеется, нельзя было и думать, но зато с развитием термометрии точное исследование этой связи становилось совершенно необходимым. Сверх того, в конце прошлого XVIII и в начале нынешнего XIX века накопилось множество различных явлений, побуждавших заняться тщательными измерениями расширения тел от теплоты; таковы были: необходимость поправок барометрических показаний при определении высот, определение астрономической рефракции, вопрос об упругости газов и паров, постепенно возраставшее применение металлов для научных приборов и технических целей и т. д.
Прежде всего, естественно, обратилась к определению расширения воздуха, которое по своей величине больше всего бросалось в глаза и представлялось наиболее легко измеримым. Множество физиков вскоре получило большое количество результатов, но частично довольно разноречивых. Амонтон для регулирования своего нормального термометра измерил расширение воздуха при нагревании его от 0° до 80° R и сравнительно точно определил его в 0,380 части его объема при 0°. С другой стороны, Нюге в 1705 г. получил при посредстве несколько видоизмененного прибора один раз число, вдвое большее, а другой раз -- число, даже в 16 раз большее. Ла-Гир (1708) тоже получил вместо амонтоновского числа 1,5 и даже 3,5. Гоуксби (1709) нашел число 0,455; Крюкиус (1720) -- 0,411; Полени -- 0,333; Бонн -- 0,462; Мушенбрек -- 0,500; Ламбер («Pyrometrie», стр. 47)--0,375; Делюк -- 0,372; И. Т. Мейер -- 0,3755 и 0,3656; Соссюр -- 0,339; Вандермонд, Бертолле и Монж получили (1786) -- 0,4328. Пристли, получивший для расширения воздуха значительно отклоняющееся от истинного число 0,9375, утверждал, сверх того, что кислород, азот, водород, угольная кислота, пары азотной, соляной, сернистой, плавиковой кислот и аммиака -- все они отличаются по своему расширению от воздуха. Г. Г. Шмидт («Green"s Neues Journ.», IV, стр. 379) получил для расширения воздуха число 0,3574, для кислорода 0,3213, наконец, для водорода, угольной кислоты и азота 0,4400, 0,4352, 0,4787. Морво и Дювернуа примкнули к мнению Пристли, но вообще нашли, что расширение газов не вполне пропорционально изменению температуры.
Теоретический материал
С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.
Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных - волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.
Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» - «сам» и латинского «мобилис» - «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто - мобильный».
Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».
Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1>
Основные части теплового двигателя
В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.
Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.
Рисунок 1
На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия тепловой машины
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 -- |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:
Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?
Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.
Цикл Карно.
Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно -- из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V1.
Рисунок 2
Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ).
Рисунок 3
Когда объем газа становится равным некоторому значению V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.
Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т2, т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние -- температура его будет все время ниже чем Т1.
Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V2">V1 (изотерма CD). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V1, при этом его температура повышается до Т1 (адиабата DA). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V1, температура -- T1, давление -- p1,и цикл можно повторить вновь.
Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А < 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.
В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT1- |QT2|. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT1 - |QT2|.
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершать работу.
Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы в тепловых двигателях.
Роль тепловых двигателей в развитии теплоэнергетики и транспорта. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Более 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.
Тепловые двигатели паровые турбины - устанавливают также на всех атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.
Далее, на всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобильном транспорте применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели) Эти же двигатели устанавливаются на тракторах, незаменимых в сельском хозяйстве.
На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы в конечном счете получают энергию преимущественно от тепловых двигателей электростанций.
На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные паровые турбины для крупных судов.
В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбореактивные и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.
Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов скоростного транспорта.
Основное условие работы тепловых двигателей. Во всех тепловых двигателях топливо при сгорании повышает температуру рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с окружающей средой. При этом повышается давление рабочего тела по сравнению с давлением окружающей среды, т. е. атмосферы, и тело совершает работу за счет своей внутренней энергии. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ.
Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. В состоянии теплового равновесия не происходит никаких макроскопических процессов; в частности, не может совершаться работа.
Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии в процессе перехода теплоты от более горячих тел к более холодным. При этом совершаемая работа всегда меньше количества теплоты, получаемой двигателем от горячего тела (нагревателя). Часть теплоты передается более холодному телу (холодильнику).
Роль холодильника. Выясним, почему при работе теплового двигателя неизбежна передача части теплоты холодильнику.
При адиабатном расширении газа в цилиндре (рис. 45) работа совершается за счет убыли внутренней энергии без передачи теплоты холодильнику. Согласно формуле (4.14) . При изотермическом процессе вся передаваемая газу теплота оказывается равной работе; .
Однако как в первом, так и во втором процессах работа совершается при однократном расширении газа до давления, равного внешнему (например, атмосферному давлению). Двигатель же должен работать длительное время. Это возможно лишь в том случае, когда все части двигателя (поршни, клапаны и т.д.) совершают движения, повторяющиеся через определенные промежутки времени. Двигатель должен периодически по прошествии одного рабочего цикла возвращаться в исходное состояние; или же в двигателе должен совершаться неизменный во времени (стационарный) процесс (например, непрерывное вращение турбины).
Чтобы возвратить газ в цилиндре в исходное состояние, его необходимо сжать. Для сжатия газа надо совершить над ним работу. Работа сжатия будет меньше работы, совершаемой самим газом при расширении, если газ сжимать при меньшей температуре, а значит, и при меньшем давлении, чем это происходило при расширении газа. Для этого необходимо до сжатия или в процессе сжатия охладить газ, передав некоторое количество теплоты холодильнику.
В используемых на практике двигателях совершивший работу (отработанный) газ (или пар) не охлаждают перед последующим сжатием, а выпускают из двигателя и следующий рабочий цикл начинают с новой порцией газа. Отработанный газ имеет более высокую температуру, чем окружающие тела, и передает им некоторое количество теплоты.
Для вращения паровой турбины на ее лопасти непрерывно подается горячий пар под большим давлением, который после совершения работы охлаждается и выводится из турбины. Остывая и конденсируясь, пар передает теплоту окружающим телам.
У паровой турбины или машины нагревателем является паровой котел, а холодильником - атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы. В двигателях внутреннего сгорания повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри двигателя и «нагревателем» являются сами раскаленные продукты сгорания топлива. Холодильником также служит атмосфера, куда выбрасываются отработанные газы.
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на цветной вклейке Рабочее тело двигателя получает количество теплоты от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты
Другая формулировка второго начала термодинамики. Невозможность полного превращения внутренней энергии в работу в тепловых двигателях, периодически возвращающихся в исходное состояние, обусловлена необратимостью процессов в природе и лежит в основе еще одной формулировки второго закона термодинамики.
Эта формулировка принадлежит английскому ученому У. Кельвину: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
Обе формулировки второго закона термодинамики взаимно обусловливают друг друга. Если бы теплота могла самопроизвольно переходить от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в работу с помощью любого теплового двигателя.
Техническая термодинамика. Основные понятия и определения
Карташевич, А.Н., Костенич, В.Г., Понталев, О.В.
К 27 Теплотехника: курс лекций. Часть 1. – Горки: Белорусская государственная сельскохозяйственная академия, 2011. 48 с.
ISBN 978-985-467-319-6
Рассмотрены основные параметры и уравнения состояния идеальных газов, понятие и виды теплоёмкости, идеальные газовые смеси и методы определения их параметров. Приведены формулировки и основные положения первого и второго законов термодинамики, анализ основных термодинамических процессов идеальных газов.
Для студентов специальностей 1-74 06 01 – Техническое обеспечение процессов сельскохозяйственного производства, 1‑74 06 04 – Техническое обеспечение мелиоративных и водохозяйственных работ, 1‑74 06 06 – Материально-техническое обеспечение АПК.
Таблиц 4. Рисунков 27. Библиогр. 12.
Рецензенты: А.С. ДОБЫШЕВ, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой механизации животноводства и электрификации сельскохозяйственного производства (УО «БГСХА»); В.Г. САМОСЮК, канд. экон. наук, генеральный директор РУП «НПЦ НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства».
УДК 621.1 (075.8)
ББК 31.3я73
Теплота используется во всех областях деятельности человека – для получения электроэнергии, привода транспорта и различных механизмов, отопления помещений, а также на технологические нужды.
Основным способом получения теплоты сегодня является сжигание ископаемых топлив – угля, нефти и газа, которое удовлетворяет около 90 % энергетических потребностей человечества. Данные о потреблении энергоресурсов в мире за последние годы и его распределении по видам представлены в табл. 1 .
Таблица 1. Структура мирового энергопотребления в 1998–2008 гг.
Как видно из приведенных в табл. 1 данных, мировое энергопотребление из года в год увеличивается. Численность населения и потребности человека постоянно растут, и это вызывает увеличение объёмов производства энергии и темпов роста ее потребления.
Однако запасы нефти, газа и угля не бесконечны и, по прогнозам, разведанных ресурсов может хватить: нефти – на 40 лет, газа – на 60 лет, угля – на 120 лет. Запасов природного урана достаточно для удовлетворения мировых потребностей в энергии примерно на 85 лет.
Другим фактором, ограничивающим дальнейшее увеличение объёмов выработки энергии за счет сжигания топлива, является все возрастающее загрязнение окружающей среды продуктами его сгорания. Не менее опасным является и тепловое загрязнение окружающей среды, ведущее к глобальному потеплению и изменению климата Земли, таянью ледников и повышению уровня Мирового океана.
В ядерной энергетике возникают экологические проблемы другого рода, связанные с необходимостью захоронения ядерных отходов, что также сопряжено с большими трудностями.
Для определения наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, более совершенных типов тепловых аппаратов необходимо знание теоретических основ теплотехники.
