Процессы преобразования тепловой и механической энергии

Эти процессы используются для получения необходимого полезного эффекта:

перемещения транспортного средства;

получения теплоты;

создания холода;

подачи рабочего тела и др.

Энергетические преобразования осуществляются последовательно. Ряд последовательных процессов образует цикл.

3.7.1. Прямой цикл

Прямым циклом называется последовательное проведение термодинамических процессов, в результате осуществления которых за счет подвода теплоты от источника энергии она преобразуется в полезную механическую работу. Прямой цикл реализуют энергетические установки, называемые теплосиловыми машинами.

Независимо от типа, назначения и конструкции теплосиловых установок последовательность термодинамических процессов, протекающих в цикле этих установок, одинакова. Рассмотрим эти процессы.

Непременным условием осуществления термодинамических преобразований является наличие рабочего тела. Поэтому начальный процесс – ввод в теплосиловую установку рабочего тела. Этот процесс называется процессом подачи рабочего тела.

Для осуществления механической работы надо иметь разность механических потенциалов (это следует из закона о первопричинности процессов). Поэтому исходное рабочее тело за счет затрат механической работы сжимается, т.е. осуществляется термодинамический процесс сжатия «н – к» («начало – компрессия»). В результате сжатия давление в соответствующем функциональном элементе теплосиловой установки (например, в цилиндре поршневого двигателя) существенно возрастает.

После сжатия и создания разности механических потенциалов (т.е. разности давлений) к рабочему телу подводится теплота от внешнего источника. В случае химического топлива в рабочее пространство вводится горючее, которое воспламеняется и, сгорая, образует нагретые газообразные продукты сгорания. Термодинамический процесс подвода теплоты и образования нагретого рабочего тела называется процессом генерирования рабочего тела «к – z» («компрессия – сгорание»). Устройство теплосиловой установки, в котором осуществляется нагревание и образование газообразного рабочего тела, называется генератором газа. Температура рабочего тела резко возрастает.

В результате процессов сжатия и генерирования образуется разность механических потенциалов (давлений) и тепловых потенциалов (температур). Поэтому рабочее тело самопроизвольно переходит в состояние равновесия с окружающей средой и, расширяясь, совершает техническую работу. Термодинамический процесс, в результате которого рабочее тело, самопроизвольно расширяясь, совершает техническую работу, называется рабочим процессом «z – e» («сгорание – конец»), а устройство, в котором он совершается, – рабочим устройством.

Отработавшее рабочее тело имеет температуру, большую, чем температура окружающей среды. За счет разности тепловых потенциалов осуществляется термодинамический процесс, завершающий цикл термодинамических преобразований – процесс охлаждения отработавшего рабочего тела «е – н». Цикл завершается, и процессы повторяются вновь в том же порядке.

Таким образом, последовательность процессов в прямом цикле такова: - подача рабочего тела;

- процесс сжатия (компрессия);

- процесс генерирования рабочего тела (сгорание рабочей смеси и резкое повышение температуры);

- рабочий процесс (например, перемещение поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания);

- процесс охлаждения.

3.7.2. Обратный цикл

Обратным циклом называется последовательное проведение термодинамических процессов, в результате осуществления которых за счет механической работы достигается охлаждение вещества. Обратный цикл реализуется холодильными установками. Рабочее тело в них – это низкокипящие жидкости – хладоагенты: аммиак, углекислота, фреоны – фторхлорпроизводные. Кроме того, используется воздух окружающей среды.

Обобщенная схема компрессионной холодильной установки (рис.3.11) содержит:

холодильную камеру (с радиатором);

теплообменник;

привод (электродвигатель) и поршневой компрессор;

охладитель и тепловой радиатор;

дроссель.

Рис. 3.11. Структурная схема холодильной установки

Работа этой схемы состоит в следующем:

- газообразное рабочее тело поступает в компрессор (с параметрами p_н, Т_н);

- в компрессоре рабочее тело сжимается, в результате чего повышаются давление и температура (до значений p_к, Т_к);

- в охладителе при постоянном давлении пар хладоагента отдает воде теплоту и его температура становится равной температуре конденсации (Т_z). В результате пар переходит в жидкое агрегатное состояние;

- жидкий хладоагент, проходя через дроссель (спиралеобразный трубопровод), за счет снижения давления и температуры (до значений p_e, T_e) превращается в пар с малой степенью сухости (т.е. влажный пар);

- после этого влажный пар поступает в теплообменник и за счет отдачи теплоты жидкостью в радиаторах, установленных в холодильной камере (помещении), превращается в сухой пар. Жидкость в радиаторах охлаждается, обеспечивая необходимую низкую температуру в холодильной камере.

Все перечисленное составляет цикл, который повторяется, пока не будет достигнута требуемая температура.