Принцип работы тепловой машины

Тепловой машиной называется такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть.

• Виды тепловых двигателей
• Тепловые энергоустановки что это такое
• Тепловые двигатели внешнего сгорания
• Виды тепловых двигателей 
• Определение теплового насоса
• Источники:

Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2 теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.

Виды тепловых двигателей

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается — тригенерация. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок». Тепловой насос надёжен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен. К недостаткам геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров.

Недостатком воздушных тепловых насосов является более низкий коэффициент преобразования тепла, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе. Общим недостатком тепловых насосов является сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве не более +50 °С ÷ +60 °С, причём, чем выше температура нагреваемой воды, тем меньше эффективность и надёжность теплового насоса.

Тепловые энергоустановки что это такое

На сегодняшний день энергетические станции используются для различных целей. К примеру, специальные энергоустановки, которые работают при помощи тепловой энергии – не самые применяемые в этой сфере, однако они обладают большим количеством преимуществ эксплуатации.

Подобное оборудование генерирует, передаёт и преобразовывает электроэнергию, донося её к потребителю. Несмотря на такой функционал, оборудование требует тщательной диагностики и обслуживания. Это предусматривает стандартные методы технической безопасности, организации управления и серьёзные ремонтные работы.

Общее представление об оборудовании

Конструкция энергоустановки представлена совокупностью систем и узловых агрегатов, работающих на добычу электроэнергии посредством переработки тепловой энергии в механическую. Основной механизм на подобных станциях – валовой электрический генератор. Помимо подвижного вала в конструкцию включается камера сгорания, из которой в итоге выделяется тепло. Немаловажным замечанием будет то, что данный способ подразумевает выброс газообразных веществ и пара.

Зачастую это касается станций, которые питаются посредством гидрологических комплексов. В таких коммуникациях повышается паровое давление, после чего пар двигает ротор турбины энергоустановки. Таким образом, вся энергия поступает на вал двигателя и генерирует электрический ток. Стоит заметить, что при этом теряется не вся тепловая энергия, а может использоваться, к примеру, для отопления.

Принципы работы тепловых энергоустановок

Одним из главных рабочих моментов выступает напряжение, благодаря которому питается станция. Зачастую комплексы оснащаются энергетическим потенциалом до тысячи вольт. В основном подобные станции локально применяются для снабжения промышленных сооружений.

Ко второму типу принадлежат комплексы, потенциал которых свыше тысячи вольт и используются для обеспечения энергией отдельно взятых районов, а иногда и городов. Их задачей является преобразовывать и распределять энергию. Немаловажным фактором служит мощность, которая колеблется от трёх до шести ГВт. Эти цифры зависят от вида применяемого топлива для сжигания в камере сгорания. Сегодня разрешено применять дизельное топливо, мазут, твёрдое топливо и газ.

Тепловые двигатели внешнего сгорания

• Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.
• Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Виды тепловых двигателей 

Тепловые машины реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Таким образом машины-устройства которые служат для преобразования одного вида энергии в другой. Преобразуют внутреннюю энергию в механическую. Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии топлива

Парова́я маши́на -тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина двигатель внешнего сгорания, который преобразо-вывает энергию пара в механическую работу.

Двигатель внутреннего сгорания-это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин, он очень широко распространен, например в транспорте.

Газовая турбина это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагр-етого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из копрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними. Паровая турбина — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

Реактивный двигатель создает необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила,толкающая двигатель в противоположном направлении.

Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально у величивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую

Определение теплового насоса

Тепловой насос является одним из термотрансформаторних устройств, обеспечивающих подачу тепла от одних тел к другим, которые имеют различные температуры. Термотрансформаторы могут быть повышающими, если предназначены для передачи теплоты к телам с низкой температурой, и понижающими, если с их помощью передается теплота телам с высокой температурой.

Тепловой насос осуществляет передачу внутренней энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителя с более высокой температурой. Поскольку, в соответствии со вторым законом термодинамики, тепловая энергия без какого-либо внешнего воздействия может переходить только с высокого температурного уровня на низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположном естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле.

Основное назначение этих установок — использование теплоты низкопотенциального источника, например окружающей среды.  Основное применение в настоящее время находят три типа теплонасосных установок:

• компрессионные для теплоснабжения отдельных домов, а также для теплоснабжения отдельных промышленных цехов или установок;

• абсорбционные для теплоснабжения зданий и промышленных цехов;

• термоэлектрические для теплоснабжения отдельных помещений или небольших домов.

Источники:

• studopedia.su
• cknow.ru
• FB.ru
• Студопедия
• calc.ru
• lektsii.org
• WEBKURSOVIK.RU
• cyberpedia.su
• AG
• mr-build.ru

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

12. Тепловая машина.

Тепловая
машина — устройство, преобразующее
тепловую энергию в механическую работу
(тепловой двигатель) или механическую
работу в тепло (холодильник). Преобразование
осуществляется за счёт изменения
внутренней энергии рабочего тела — на
практике обычно пара или газа

Идеальная
тепловая машина — машина, в которой
произведённая работа и разница между
количеством подведённого и отведённого
тепла равны. Работа идеальной машины
описывается циклом Карно.

Цикл
Карно

Цикл
Карно — 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.

Паровая машина

Паровая
машина — тепловой двигатель внешнего
сгорания, преобразующий энергию пара
в механическую работу возвратно-поступательного
движения поршня, а затем во вращательное
движение вала. В более широком смысле
паровая машина — любой двигатель
внешнего сгорания, который преобразовывает
энергию пара в механическую работу.

Использование
тепловых машин в технике и технологиях.

Паровые
машины использовались как приводной
двигатель в насосных станциях, локомотивах,
на паровых судах, тягачах, паровых
автомобилях и других транспортных
средствах.

Различные
виды тепловых машин являются основой
современного транспорта. Тепловые
машины приводят в движение автомобили
и тепловозы, речные и морские корабли,
самолеты и космические ракеты.

Тепловой
двигатель – устройство, преобразующее
внутреннюю энергию топлива в механическую
энергию.

К
тепловым двигателям относятся: паровая
машина, двигатель внутреннего сгорания,
паровая и газовая турбины, реактивный
двигатель. Их топливом является твердое
и жидкое топливо, солнечная и атомная
энергии.

Тепловые
двигатели — паровые турбины — устанавливаются
на тепловых электростанциях, где они
приводят в движение роторы генераторов
электрического тока, а также на всех
атомных электростанциях для получения
пара высокой температуры.

13. Физические эффекты (эффект эжекции, гироскопический эффект, центробежная сила, эффект Доплера, акустическая кавитация, диффузия, гидростатическое давление) в машиностроении.

Эффект эжекции
заключается в том, что поток с более
высоким давлением, движущийся с большой
скоростью, увлекает за собой среду
низкого давления. Увлеченный поток
называется эжектируемым.

Основная особенность
физического процесса заключается в
том, что смешение потоков происходит
при больших скоростях эжектирующего
(активного) потока.

Гироскоп (от
др.-греч. ????? «круг» и ?????? «смотрю») —
устройство, способное реагировать на
изменение углов ориентации связанного
с ним тела относительно инерциальной
системы координат, как правило, основанное
на законе сохранения вращательного
момента (момента импульса).

Гироскопический
эффект вращающихся тел есть проявление
коренного свойства материи — её
инертности.

Гироскопический
эффект создается той же самой
центробежной силой, которая действует
на юлу, вращающуюся, например, на столе.

Центробежная сила
— сила инерции, которую вводят во
вращающейся (неинерциальной) системе
отсчёта (чтобы применять законы Ньютона,
рассчитанные только на инерциальные
СО) и которая направлена от оси, вокруг
которой происходит вращение тела — или
— в двумерном случае — от центра вращения
(отсюда и название).

Эффект
Доплера — изменение частоты и длины
волн, регистрируемых приёмником,
вызванное движением их источника и/или
движением приёмника. Его легко наблюдать
на практике, когда мимо наблюдателя
проезжает машина с включённой сиреной.

Акустическая
кавитация

Это образование
и захлопывание полостей и жидкости под
воздействием звука. Полости образуются
в результате разрыва жидкости во время
полупериодов сжатия.

Акустическая
кавитация вызывает ряд эффектов. часть
из них, например, разрушение и
диспергирование твердых тел, эмульгирование
жидкостей, очистка — обязаны своим
происхождением ударам при захлопывании
полостей и микропотокам вблизи пузырьков.

Диффузия
лат. diffusio — распространение, растекание,
рассеивание, взаимодействие) — процесс
взаимного проникновения молекул одного
вещества между молекулами другого,
приводящий к самопроизвольному
выравниванию их концентраций по всему
занимаемому объёму.

Примером диффузии
может служить перемешивание газов
(например, распространение запахов) или
жидкостей (если в воду капнуть чернил,
то жидкость через некоторое время станет
равномерно окрашенной). Другой пример
связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся
металлов перемешиваются на границе
соприкосновения. Важную роль диффузия
частиц играет в физике плазмы.

Гидростатическое
давление — Благодаря полной малоподвижности
своих частиц капельные и газообразные
жидкости, находясь в покое, передают
давление одинаково во все стороны;
давление это действует на всякую часть
плоскости, ограничивающей жидкость, с
силой Р, пропорциональной величине w
этой поверхности, и направленной по
нормали к ней.
Простое уравнение P = pw может действительно
служить для точного вычисления давления
на данную поверхность сосуда, газов и
капельных жидкостей, находящихся при
таких условиях, что часть давления,
зависящая от собственного веса жидкостей,
ничтожно мала по сравнению с давлением,
передаваемым им извне. Сюда относятся
почти все случаи давлений газов и расчеты
давлений воды в гидравлических прессах
и аккумуляторах.

12.4 Применение термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

Цели обученияТепловые двигатели, тепловые насосы и холодильникиТепловая эффективностьРешение задач тепловой эффективностиПрактические задачиПроверьте свое понимание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее: а холодильники работают по законам термодинамики

Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

В этом разделе мы рассмотрим, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.

Одна из самых важных вещей, которые мы можем делать с теплом, — использовать его для выполнения работы за нас. Тепловая машина делает именно это — она использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электроэнергию, — все это примеры тепловых двигателей.

На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии теплом для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передается через газ в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действует на внешний мир, так как эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача тепла газу в цилиндре приводит к совершению работы.

Рисунок 12.13 (a) Теплопередача газу в цилиндре увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. б) Сила, действующая на подвижный цилиндр, совершает работу при расширении газа. Давление и температура газа уменьшаются во время расширения, что указывает на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась во время его работы. (c) Теплопередача энергии в окружающую среду еще больше снижает давление в газе, так что поршень может легче вернуться в исходное положение.

Чтобы повторить этот процесс, необходимо вернуть поршень в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа уменьшается, а окружающая среда прикладывает силу, чтобы оттолкнуть поршень назад на некоторое расстояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.

Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, переданной теплом от какого-либо источника. Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), а работа, выполненная двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может поглощать или отдавать неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара равна Th,Th, а температура холодного резервуара равна TcTc.

Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть энергии, переданной теплом, для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Q _h – теплота из горячего резервуара, W – выходная мощность, Q _c – неиспользованное тепло в холодный резервуар.

Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU=0ΔU=0 . Первый закон термодинамики утверждает, что ΔU=Q−W, ΔU=Q−W, где Q — это чистая теплопередача во время цикла, а Вт — это чистая работа, выполненная системой. Чистая теплопередача представляет собой энергию, передаваемую теплом из горячего резервуара, за вычетом количества, переданного в холодный резервуар (Q=Qh-QcQ=Qh-Qc). Поскольку внутренняя энергия не изменяется за полный цикл (ΔU=0ΔU=0), мы имеем

12.200=Q-W,0=Q-W,

так что

12.21W=Q.W=Q.

Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна полезному теплу, поступающему в систему, или

12,22W=Qh-QcW=Qh-Qc

для циклического процесса.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что является энергоемким процессом, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле мы хотим, чтобы Вт равнялось QhQh, и чтобы в окружающую среду не выделялось тепло (то есть Qc=0Qc=0). К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплоты в работу. Напомним, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также то, сколько энергии недоступно для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы полная энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc,Qc, зависит от эффективности тепловой машины. Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для совершения работы.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло переносит энергию QcQc из холодного резервуара и отдает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется работа, Вт , которая обеспечивает передачу энергии в виде тепла. Следовательно, общая теплоотдача в горячий резервуар составляет

12.23Qh=Qc+W.Qh=Qc+W.

Целью теплового насоса является передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой. Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева вашего дома, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос обеспечивает Qh=Qc+WQh=Qc+W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее помещение. Вы платите только за W , и вы получаете дополнительную теплоотдачу QcQc извне без затрат. Во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостаток теплового насоса заключается в том, что ввод работы (требуемой вторым законом термодинамики) иногда обходится дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса показаны на рис. 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителях) тепло QcQc поступает в рабочее тело из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испарителя, (2) компрессора, (3) конденсатора и (4) расширительного клапана. В режиме обогрева тепло QcQc отдает рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры в помещении, тепло передает энергию от газа в помещение по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (4) к змеевикам наружного испарителя.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, тепло передает энергию помещению, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (редукционный) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается в змеевики наружного испарителя, чтобы возобновить цикл.

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое помещение (QhQh) по сравнению с тем, сколько входной работы ( Вт ) требуется.

Предупреждение о неправильном понимании

Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода. Они просто передают тепло изнутри наружу.

Вернитесь к законам идеального газа, законам термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять работу кондиционеров и холодильников. Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкого состояния в газообразное и обратно. Химикат присутствует в замкнутом контуре трубки. Первоначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор работает, чтобы сжать частицы газа химического вещества ближе друг к другу, создавая высокое давление. Согласно закону идеального газа, с увеличением давления растет и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по маленьким трубочкам или ребрам конденсатора, расположенного на внешней части кондиционера (и на задней стенке холодильника). Ребра вступают в контакт с наружным воздухом, который холоднее, чем сжатый химикат, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и превращается в жидкость. Затем эту жидкость пропускают к испарителю через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ растекается (энтропия возрастает), а его давление падает. Следовательно, по закону идеального газа снижается и его температура. Вентилятор нагнетает воздух через этот уже остывший испаритель в комнату или холодильник (рис. 12.16).

Рис. 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не понимают, что они также делят свои дома с тепловым насосом.

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии с помощью тепла QcQc из более прохладной среды в более теплую, в которой отдается тепло QhQh. В случае с холодильником тепло перемещается из внутренней части холодильника в окружающее помещение. Для кондиционера тепло передается наружу из дома. Тепловые насосы также часто используются для охлаждения помещений летом.

Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии удаляется теплом QcQc из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы, Вт , требуется. Итак, то, что считается энергетическим преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике.

Тепловой КПД

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Проблема в том, что во всех процессах присутствует некоторое количество теплоты QcQc, передающее энергию в окружающую среду, и обычно очень большое количество тепла. значительная сумма при этом. Одним из способов количественной оценки эффективности работы машины является величина, называемая тепловым КПД.

Мы определяем тепловой КПД, Eff , как отношение выхода полезной энергии к входной энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). Эффективность тепловой машины равна выходу полезной работы Вт , деленной на переданную двигателю энергию QhQh; это

12.24Eff=WQh.Eff=WQh.

КПД 1, или 100 процентов, был бы возможен только в том случае, если бы не было тепла в окружающую среду (Qc=0Qc=0 ).

Советы по достижению успеха

Все значения тепла (QhQh и QcQc) положительны; нет такой вещи, как отрицательное тепло. Направление тепла указывается знаком плюс или минус. Например, QcQc находится вне системы, поэтому в уравнении полезного тепла ему предшествует знак минус.

12.25Q=Qh-QcQ=Qh-Qc

Решение проблем с тепловой эффективностью

Пример работы

Ежедневная работа угольной электростанции и ее эффективность

Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует тепло для передачи энергии от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые затем используются для выработки электроэнергии. За один день крупная угольная электростанция передает 2,50×1014 Дж2,50×1014 Дж тепла от сжигания угля и отдает 1,48×1014 Дж1,48×1014 Дж тепла в окружающую среду. а) Какую работу совершает электростанция? б) Каков КПД электростанции?

СТРАТЕГИЯ

Мы можем использовать W=Qh-QcW=Qh-Qc, чтобы найти выход работы, W , если на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

Решение

Результат работы определяется выражением

12.26W=Qh-Qc.W=Qh-Qc.

Подставив данные значения,

12,27W=2,50×1014Дж−1,48×1014Дж=1,02×1014Дж.

СТРАТЕГИЯ

КПД можно рассчитать с помощью Eff=WQhEff=WQh, поскольку задано QhQh, а работа, W , была рассчитана в первой части этого примера.

Решение

Эффективность определяется выражением

12.28Eff=WQh.Eff=WQh.

Работа, Вт , равна 1,02×1014J1,02×1014J, а QhQh задано (2,50×1014J2,50×1014J), поэтому эффективность равна

12,29Eff=1,02×1014J2. 50× 1014J=0,408 или 40,8%.Eff=1,02×1014J2,50×1014J=0,408 или 40,8%.

Обсуждение

Найденный КПД близок к обычному значению 42% для угольных электростанций. Это означает, что целых 59,2 процента энергии передается в окружающую среду с помощью тепла, что обычно приводит к нагреванию озер, рек или океана вблизи электростанции и в целом связано с потеплением планеты. В то время как законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, энергия, передаваемая теплом окружающей среде, может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов.

Практические задания

Тепловая машина отдает 120 Дж тепла и отдает 20 Дж тепла в окружающую среду. Каков объем работы, выполняемой системой?

1. −100 Дж
2. −60 Дж
3. 60Дж
4. 100Дж

Тепловая машина получает 6,0 кДж тепла и производит отработанное тепло 4,8 кДж. Какова его эффективность?

1. 25 процентов
2. 2,50 процента
3. 2,00 процента
4. 20 процентов

Проверьте свое понимание

Упражнение 13

Что такое тепловая машина?

1. Тепловая машина преобразует механическую энергию в тепловую.
2. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в механическую.
3. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в электрическую.
4. Тепловая машина преобразует электрическую энергию в тепловую.

Упражнение 14

Приведите пример тепловой машины.

1. Генератор
2. Аккумулятор
3. Водяной насос
4. Автомобильный двигатель

Упражнение 15

Что такое тепловой КПД?

1. Тепловой КПД – это отношение подводимой работы к подводимой энергии.
2. Термический КПД – это отношение произведенной работы к затраченной энергии.
3. Тепловой КПД – это отношение вложенной работы к выходной энергии.
4. Термический КПД – это отношение объема работы к выходу энергии.

Упражнение 16

Какое математическое выражение дает тепловой КПД?

1. Эфф=QhQh-Qc
2. Эфф=QhQc
3. Эфф=QcQh
4. Эфф=Qh-QcQh

• Печать
• Поделиться

6.

1 Тепловой двигатель. Введение в инженерную термодинамику

Перейти к содержанию

6. Энтропия и второй закон термодинамики

Тепловая машина представляет собой непрерывно работающее устройство, которое производит работу путем передачи тепла от (высокотемпературного тела) к (низкотемпературному телу) с помощью рабочего тела. В цикле теплового двигателя рабочее тело может оставаться однофазным или претерпевать фазовые изменения.

Паровой двигатель — тип теплового двигателя, обычно используемый на паровых электростанциях. Он работает по циклам Ренкина и использует воду в качестве рабочей жидкости. Мы будем использовать паровой двигатель, чтобы проиллюстрировать, как тепло преобразуется в работу в тепловых двигателях. Типичная паровая машина состоит из четырех основных компонентов: котла, турбины, конденсатора и насоса, как показано на рис. 6.1.1. Диаграмма T-s на рис. 6.1.2 иллюстрирует четыре процесса в цикле Ренкина:

1. В котел подается вода низкого давления и низкой температуры (состояние 1). Насос потребляет мощность, [latex]\dot{W}_{pump}[/latex], чтобы поддерживать непрерывную подачу воды в котел при увеличении давления воды, поступающей в котел (состояние 2). Процесс 1-2 можно считать адиабатическим.
2. В котле жидкая вода поглощает тепло [латекс]\dot{Q}_{H}[/латекс] от внешнего источника тепла и превращается в высокотемпературный пар высокого давления (состояние 3). Падение давления в котле обычно незначительно; поэтому процесс 2—3 можно считать изобарным.
3. Затем высокотемпературный пар высокого давления расширяется в турбине, заставляя турбину непрерывно вращаться и таким образом вырабатывая механическую энергию [латекс]\dot{W}_{турбина}[/латекс]. В процессе расширения температура и давление пара уменьшаются. Следовательно, пар, выходящий из турбины (состояние 4), становится низкотемпературной двухфазной смесью низкого давления. Процесс 3-4 можно считать адиабатическим.
4. Пар, выходящий из турбины, затем поступает в конденсатор и конденсируется в насыщенную или сжатую жидкость (состояние 1). Во время этого процесса из пара отводится тепло [латекс]\dot{Q}_{L}[/латекс]. Падение давления в конденсаторе обычно незначительно; следовательно, процесс 4-1 можно считать изобарным.

Рисунок 6.1.1 Цикл Ренкина Рисунок 6.1.2 T-s диаграмма цикла Ренкина

На рис. 6.1.3 представлена ​​упрощенная схема анализа сохранения энергии в тепловых двигателях. Применяя первый закон термодинамики к циклу, мы можем написать

[латекс]\dot{Q}_{H} — \dot{Q}_{L} = \dot{W}_{турбина} — \dot{W}_{насос} = \dot{W}_ {сеть, выход}  [/латекс]

Очевидно, что тепло, удаляемое конденсатором, [латекс]\точка{Q}_L[/латекс], не может быть преобразовано в полезную работу. это отходы d для того, чтобы завершить цикл. Другими словами, тепловая машина не может преобразовать всю теплоту, подводимую источником тепла (например, котлом), в полезную работу даже в идеальных условиях. Тепловой КПД — это безразмерный параметр, используемый для измерения производительности тепловой машины.

[латекс]\eta_{th}=\displaystyle\frac{требуемый\выход}{требуемый\вход}=\frac{{\dot{W}}_{net,\out}}{{\dot{Q} }_H}=1-\frac{{\dot{Q}}_L}{{\dot{Q}}_H}[/latex]

где

[латекс]\dot{Q}_H[/латекс]: теплота, поглощаемая источником тепла, кВт

[latex]\dot{Q}_L[/latex]: тепло, отводимое на радиатор, кВт

[latex]\dot{W}_{net,\ out}[/latex]: полезная мощность тепловой машины, кВт

[латекс]\eta_{th}[/латекс]: тепловой КПД тепловой машины, безразмерный

Рисунок 6.1.3 Схема тепловой машины

На рисунках 6.1.e1 и 6.1.e2 показан цикл Ренкина, состоящий из двухступенчатой ​​паровой машины и подогревателя питательной воды. Паровая машина обведена красными контурами на рис. 6.1.e1. Две ступени турбины обозначены как HE1 и HE2 соответственно. На этапе 1 пар поглощает тепло [латекс]\dot{Q}_H[/латекс] из котла и вырабатывает энергию [латекс]\точка{W}_{1}[/латекс]. Часть выхлопного пара со ступени 1 затем поступает на ступень 2, дополнительно вырабатывая энергию [латекс]\dot{W}_{2}[/латекс]. Оставшийся отработавший пар 1-й ступени используется для предварительного подогрева питательной воды. Если тепловой КПД двух ступеней турбины равен [латекс]\эта_{th,1}[/латекс] и [латекс]\эта_{th,2}[/латекс], каков общий тепловой КПД цикла как функция [латекс]\эта_{й,1}[/латекс] и [латекс]\эта_{й,2}[/латекс]? Предположим 90% выхлопного пара, выходящего из ступени 1, поступает во 2-ю ступень и вырабатывает энергию, [латекс]\dot{W}_{2}[/латекс].

Рисунок 6.1.e1 Двухступенчатая паровая турбина с подогревателем питательной воды Рисунок 6.1.e2  Схема двухступенчатой ​​тепловой машины

Решение:

Тепловая эффективность первую и вторую ступени паровой турбины можно записать как

[латекс]\eta_{th,1} = \dfrac{\dot{W}_{1}}{\dot{Q}_{H}}[ /латекс]           [латекс]\eta_{th,2} = \dfrac{\dot{W}_{2}}{\dot{Q}_{M}}[/latex]

Желаемая мощность цикла — это общая мощность, вырабатываемая турбиной, а требуемая энергия поступает от котла; следовательно,

[латекс]\eta_{th} = \dfrac{\dot{W}_{tot}}{\dot{Q}_{H}}=\dfrac{\dot{W}_{1} + \dot{W}_{2}}{\dot{Q}_{H}}[/latex]

Примените первый закон термодинамики к первой стадии, HE1.