Обратный цикл Карно

Протекаетв обратном направленииследующим образом (рис. 1.10). Рабочее тело с начальными параметрами точки «а» расширяется адиабатно по «ab», совершая работу за счет внутренней энергии и охлаждается от температуры до в точках. Затем расширение идет по изотерме (bc) и рабочее тело отбирает от холодного источника при температуре теплоту .

Далее рабочее тело сжимается по адиабате «cd» и его температура повышается от до , а затем сжимается по изотерме «da» ( - const). При этом рабочее тело отдает горячему источнику с температурой количество теплоты . В результате получается, что работа сжатия будет больше работы расширения на величину площади «abcd», ограниченной контуром цикла. Эта работа превращается в теплоту и вместе с передается горячему источнику. При этом холодный источник отдает теплоту , а горячий получит

Рис. 1.10

Обратный цикл Карно называется идеальным циклом холодильных установок и так называемых тепловых насосов. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии. Эффективность холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом

,

где q₂ - отведенная от охлаждаемого объекта теплота;

l_ц - работа, затраченная на это.

Используя Ts -диаграмму для описания этого процесса, последней формуле можно придать следующий вид

,

где Т₁ – температура окружающей среды; Т₂ - температура охлаждаемого тела.

При этом 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 ε_хол.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.

В основе действия теплового насоса также лежит обратный цикл Карно. В отличие от холодильной машины, тепловой насос должен отдавать как можно больше теплоты горячему телу (например, системе отопления).

Эффективность теплового насоса оценивается так называемым отопительным коэффициентом

,

где q₁ - теплота, переданная нагреваемому телу;

l_ц - величина работы, подведенной в данном цикле.

Как и для e_хол для e_отоп можно также получить аналогичную формулу:

,

где Т₁ - температура нагреваемого тела;

Т₂ - температура окружающей среды.

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу.

При рассмотрении идеальных циклов делаются следующие допущения:

1. Предполагается, что цикл осуществляется постоянным количеством идеального газа, неизменного химического состава и постоянной теплоёмкости.

2. Предполагается, что процессы сжатия и расширения протекают без теплообмена с внешней средой, т.е. по адиабате.

3. Сгорание топлива и удаление продуктов сгорания заменяются условными процессами подвода и отвода тепла, протекающими при v = const или р = const.

Для характеристики цикла вводятся понятия о его параметрах, представляющих собой отношение объёмов, температур и давлений в характерных точках цикла. К ним относятся: степень сжатия ε – это отношение объёма в начале сжатия к объёму в конце сжатия (); степень повышения давления λ – отношение наибольшего давления в цикле к давлению конца сжатия (); степень предварительного расширения ρ – это отношение объёма в конце подвода тепла к объёму в конце сжатия ().

В ДВС в качестве рабочего тела служат газообразные продукты сгорания топлива. Все современные ДВС подразделяются на три основные группы, в которых теплота к рабочему телу подводится:

- при постоянном объеме (v= const, цикл Отто);

- при постоянном давлении (p= const, цикл Дизеля);

- вначале при v= const и затем при p= const (смешанный цикл Тринклера).