Что характеризует термический кпд прямого цикла кратко

Обновлено: 05.07.2024

Прямые термодинамические циклы , в которых в которых за счет теплоты источника может быть получена полезная работа, отдаваемая внешним потребителям, носят название циклов теплоэнергетических установок. Обратные термодинамические циклы могут применяться либо для отвода теплоты в окружающую среду от рабочего тела, имеющего более низкую температуру (холодильные установки), либо для передачи теплоты от тел с более низкой температурой для нагревания окружающей среды (тепловые насосы).

Задачей прямого цикла является получение работы за счет теплоты источника:

где q₁ – теплота от горячего источника; q₂ – теплота, отданная холодному источнику.

Оценка совершенства такого цикла, составленного из обратимых процессов, производится с помощью так называемого термического (или термодинамического) коэффициента полезного действия η_t путем сопоставления полученной работы l_ц и подведенной теплоты q₁_:

Из этих соотношений следует, что термический КПД прямого обратимого цикла определяет, какая часть подведенной в цикле теплоты q₁ превращается в работу l_ц.

Для обратного цикла холодильных установок критерием эффективности служит холодильный коэффициент

Где q₂ – теплота, отведенная от холодильника.

Так как затраченная для осуществления цикла работа l_ц = q₁ – q₂,

В холодильной установке рабочими телами служат, как правило, пары легкокипящих жидкостей – фреона, аммиака и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру к окружающей среде происходит за счет затрат электроэнергии.

Заметим, что чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Холодильную установку можно использовать в качестве теплового насоса. Если, например, для отопления помещения использовать электронагревательные приборы, то количество теплоты, выделенное в них, будет равно расходу электроэнергии. Если же это количество электроэнергии использовать для работы теплового насоса, когда горячим источником , т.е. приемником теплоты q₁, является отапливаемое помещение, а холодным – наружная атмосфера, то количество теплоты, полученное помещением,

q₁ = q₂ +l_ц,

где q₂ – количество теплоты, взятое от наружной атмосферы; l_ц – расход электроэнергии.

Понятно, что q₂ > l_ц, т.е отопление с помощью теплового насоса выгоднее простого электрообогрева.

Прямой цикл.Прямой цикл – это цикл двигателя. В этом цикле происходит преобразование теплоты в механическую работу (рис.2).

В процессе 1а2 к рабочему телу от горячего источника температурой Т₁ подводится теплота Q₁ и совершается положительная работа. В процессе 2b1 от рабочего тела к холодному источнику температурой Т₂ отводится количество теплоты Q₂ и совершается отрицательная работа. Количество работы в процессе расширения L₁_a₂ , больше, чем работа сжатия L₂_b₁ , и цикловая работа будет положительна и равна:

На рисунке работа цикла изображается площадью фигуры пл.1-а-2-b-1.

В соответствии с первым законом термодинамики для цикла:

Для оценки эффективности преобразования теплоты в работу в прямом цикле используют термический коэффициент полезного действия (КПД), под которым понимают отношение работы, полученной в цикле, к затраченной теплоте:

Таким образом, термический КПД показывает какая часть теплоты, подведенной к циклу от нагревателя, превращена в полезную работу. Согласно второму закону термодинамики эта величина всегда меньше единицы (

Термодинамическим циклом, или круговым процессом, называется процесс, при котором термодинамическая система, выйдя из первоначального состояния, снова возвращается в это состояние. Все параметры и функции состояния, изменяясь в процессе, в конце цикла принимают свое первоначальное значение.

В процессе расширения (за счет подведенного тепла) газ производит работу расширения. Для того, чтобы повторить тот же процесс расширения и вновь получить работу, необходимо вернуть газ в исходное состояние, отняв тепло и сжав газ.

Но для этого необходимо затратить работу, которую получают от внешнего источника. Понятно, что процесс сжатия газа нужно вести не по пути расширения, иначе вся работа расширения будет затрачиваться на сжатие и суммарная работа будет равна нулю. Поэтому путь процессов выбирают таким образом, чтобы работа расширения была больше работы сжатия. Так как работа процесса выражается площадью под кривой процесса, то для получения положительной работы цикла необходимо, что бы кривая процесса сжатия была расположена ниже кривой процесса расширения.

Рис. 7.5 а) изображение прямого цикла в рабочей диаграмме; б) изображение обратного цикла в рабочей диаграмме.

На рис. 7.5 изображены прямой и обратный циклы в диаграмме. Циклы позволяют осуществлять превращение тепла в работу (рис. 7.5а) либо непрерывный отвод и передачу тепла с низшего температурного уровня на высший (рис. 7.5, б – обратный цикл).

Из рис. 7.5(а) видно, что площадь внутри цикла выражает полученную в результате цикла работу за счет разности подведенного тепла (процесс 1-a-2) и отведенного тепла (процесс 2-b-1). В прямом цикле происходит превращение теплоты в механическую работу.

Обратный цикл (рис. 7.5б) осуществляет перенос теплоты от холодного тела к нагретому за счет затраты работы, эти циклы называются холодильными. В них расширение рабочего тела происходит при более низком давлении, чем сжатие.

Тепловой двигатель – это система, осуществляющая непрерывные круговые циклы, в которых теплота превращается в работу. Вещество, за счет изменения состояния которого получают работу в цикле, называется рабочим телом.

Эффективность превращения теплоты в работу в цикле характеризуется термическим коэффициентом полезного действия цикла , который представляет собой отношение работы, совершенной системой за цикл, к количеству подведенной к системе теплоты

Термический КПД характеризует степень совершенства цикла. Чем больше , тем совершеннее цикл, тем большая работа производится при подводе одного и того же количества теплоты.

Теплота подводится от горячего источника теплоты, а отбирается холодным источником теплоты. Значение КПД цикла зависит от значений температур, при которых происходят процессы подвода и отвода теплоты.

Рис. 7.5 а) изображение прямого цикла в рабочей диаграмме; б) изображение обратного цикла в рабочей диаграмме.

В процессе расширения газ производит работу против сил внешнего давления. Для того чтобы вновь повторить тот же процесс расширения газа и вновь получить работу , нужно возвратить газ в исходное состояние т.е. сжать газ. При этом газ совершит круговой процесс (цикл). На сжатие газа, естественно, должна быть затрачена работа; эта работа подводится к газу от какого-либо внешнего источника.

Понятно, что процесс сжатия газа от давления p2 до давления p1 нужно осуществить по пути, отличному от пути процесса расширения. В противном случае работа, получаемая при расширении газа, будет равна работе, затрачиваемой на сжатие, и суммарная работа, полученная в результате кругового процесса, будет равна нулю. Работа, отдаваемая системой за один цикл (будем называть ее работой цикла), равна разности (алгебраической сумме) работы расширения и работы сжатия. Понятно, что путь процесса сжатия следует выбрать таким образом, чтобы работа сжатия по абсолютной величине была меньше работы расширения, иначе работа цикла будет отрицательной, т.е. в результате цикла работа будет не производиться, а затрачиваться; впрочем, как будет показано в дальнейшем, в определенных случаях (циклы холодильных машин) используется именно такое построение цикла.

Циклические процессы, в результате которых производится работа, осуществляются в различных тепловых двигателях. Тепловым двигателем называют непрерывно действующую систему, осуществляющую круговые процессы (циклы), в которых теплота превращается в работу. Вещество, за счет изменения состояния которого получают работу в цикле, именуется рабочим телом.

102330 1

Степень совершенства преобразования теплоты в механическую работу в термодинамическом цикле двигателя оценивается термическим (или тепловым, или термодинамическим) коэффициентом полезного действия η_t .

Термический КПД Отношение работы, совершенной в прямом обратимом термодинамическом цикле, к теплоте, сообщенной рабочему телу от внешних источников.

где A_t – тепло, преобразованное в цикле в работу; Q₁ – тепло, подведённое в цикле к рабочему телу; Q₂ – тепло, отданное в цикле рабочим телом.

Термический КПД термодинамического цикла показывает, какое количество получаемой теплоты машина превращает в работу в конкретных условиях протекания идеального цикла. Чем больше величина η_t , тем совершеннее цикл и тепловая машина.

В качестве критерия оценки термодинамических циклов часто используют цикл Карно, потому что КПД тепловой машины Карно максимален в том смысле, что никакая тепловая машина с теми же температурами нагревателя и холодильника не может обладать бόльшим КПД [1]. Формула для расчёта термического КПД данного цикла общеизвестна

где T₁ – абсолютная температура нагревателя; T₂ – абсолютная температура холодильника.

Из анализа цикла Карно можно сделать следующие выводы:

КПД любого термодинамического цикла тем больше, чем больше разница температур нагревателя T₁ и холодильника T₂ ;
термический КПД никогда не достигает 100 %, потому что температура T₂ в лучшем случае равна температуре окружающей среды;

Сегодня наибольшая разница температур достигнута в двигателях внутреннего сгорания, благодаря высокой температуре рабочего тела T₁ . Температура газов в цилиндре поршневого ДВС достигает 2000 °C и более, а в газовой турбине порядка 900 – 1300 °C, что связано с необходимость обеспечить жаропрочность лопаток турбины. Для двигателей с внешним подводом теплоты такие значения температур рабочего тела остаются пока недостижимыми из-за высокого термического сопротивления на границе нагреватель-рабочее тело. Температура пара в современных паровой турбине или поршневом паровом двигателе находится в диапазоне от 300 до 600 °C.

Стоит заметить, что высокий термический КПД не служит гарантией высокого эффективного КПД двигателя.

Влияние состава смеси на индикаторный КПД двигателя

Описано влияние состава топливовоздушной смеси на индикаторный КПД двигателя внутреннего сгорания

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

Двухтактный двигатель как альтернатива четырёхтактному, его преимущества и недостатки.

Читайте также: