1.1. Преобразование энергии в тепловых двигателях. Рабочее тело
Рассмотрим в общих чертах процесс преобразования тепловой энергии в механическую в основных типах тепловых двигателей – паротурбинных установках (ПТУ) и двигателях внутреннего сгорания (ДВС).
В любой паротурбинной установке теплота от продуктов сгорания передается кипящей воде, которая превращается в пар, перегревается в пароперегревателе и поступает на рабочую часть турбины. Температура и давление пара перед турбиной гораздо выше, чем эти параметры окружающей среды, поэтому пар способен совершить работу, которую он и совершает в процессе адиабатного расширения на проточной части турбины. При этом давление и температура пара понижается и отработавший пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, отдавая свою теплоту парообразования. Образованный конденсат насосом подается в котел, цикл рабочего тела замыкается. Трансформация тепловой энергии продуктов сгорания в механическую энергию вращения ротора осуществляется в процессе изменения теплового и агрегатного состояния рабочего тела.
При работе ДВС рабочее тело получается в результате горения топливной смеси, подаваемой в пространство цилиндра между его крышкой и поршнем. Т.к. температура и давление рабочего тела больше температуры и давления окружающей среды, оно способно совершить работу, поэтому рабочее тело расширяется, передвигая поршень. Эта энергия непосредственно используется для совершения работы и обратного движения поршня, которое происходит за счет части энергии, переданной через кривошипно-шатунный механизм маховику.
В обоих примерах рабочим телом служит газ или пар. В качестве рабочего тела можно использовать твердое, жидкое или газообразное вещество, но наиболее эффективно теплота переходит в работу в телах, резко меняющих свой объем при изменении температуры.
Такое изменение объема (и давления) при изменении температуры называется процессом, ход которого контролируется по параметрам состояния рабочего тела. К ним относятся в первую очередь давление (p), температура (t) и удельный объем (v).
Рабочим телом в термодинамике называют некоторое промежуточное тело, при помощи которого осуществляется трансформация тепловой энергии в механическую в тепловых двигателях.
1.2. Законы термодинамики
Из анализа процесса преобразования тепловой энергии (q) в механическую (ℓ) следует, что необходим подвод теплоты (q1) и ее отвод (q2). Подвод теплоты осуществляется в процессе приготовления рабочего тела (перегретого пара в ПТУ и продуктов сгорания в ДВС), а отвод теплоты в первом случае обеспечивается при конденсации отработавшего пара, а во-втором – путем удаления продуктов сгорания (выхлопа) из двигателя. Кроме того в ДВС, из-за их конструктивных особенностей, часть теплоты отводится дополнительно с охлаждающей водой.
Изложенное позволяет сформулировать два основных закона термодинамики:
I закон: “для обеспечения работы теплового двигателя необходимо подводить теплоту”;
II закон термодинамики: “для обеспечения работы теплового двигателя необходимо отводить теплоту”.
Разница между подведенной и отведенной теплотой и представляет собой результат функционирования теплового двигателя – работу ℓ = q1 – q2.. Отсюда, зная, что любой коэффициент полезного действия (КПД) – это отношение полученного к затратам, запишем выражение для определения теоретического КПД теплового двигателя (ηt)
 . (1)
Напомним, что величины, характеризующие физические свойства рабочего тела в данный момент, называются параметрами состояния рабочего тела, и непосредственному измерению поддаются три параметра состояния: давление р, удельный объем v и температура T, которые называются основными или термическими параметрами. Поэтому состояние судовой энергетической установки контролируется, в первую очередь, по показаниям манометров и термометров. Удельный объем же служит одной из координат при графическом изображении процессов, происходящих с рабочим телом. В частности, в технике принято пользоваться p–v координатами, удобство которых заключается в их наглядности и в том, что площади под линиями, изображающими процессы, в масштабе показывают работу.
Основными процессами изменения состояния рабочего тела являются изохорный (при v =const), изобарный (при p =const), изотермный (при T = const) и адиабатный (происходящий без теплообмена с окружающей средой) процессы.
Одним из примеров изохорного процесса является процесс взрывообразного горения паров бензина в карбюраторном двигателе, и этот процесс в p–v диаграмме изображается вертикальной линией (практически в цилиндре при подаче искры происходит взрыв смеси паров бензина с воздухом, что сопровождается резким ростом давления).
В то же время изобарный процесс изображается в p–v диаграмме горизонтальной линией и может служить иллюстрацией “медленного” горения топлива в цилиндре дизельного двигателя.
Изотермический процесс мы знаем по процессу кипения воды в чайнике, где температура не меняется. В технике этот процесс сопровождает подготовку рабочего тела в парогенераторе. Касательно же поршневых двигателей этот процесс мог бы описывать бесконечно медленное сжатие рабочего тела в цилиндре ДВС (рис. 1), т.е. изотерма представляет собой равнобокую гиперболу – с уменьшением объема давление повышается (процесс сжатия 1-2), а с увеличением объема давление уменьшается (процесс расширения 2-1).
 
А диабатным процессом считается любой настолько быстротекущий процесс, что теплообмен при его течении не успевает произойти. В технике любой процесс сжатия и расширения считается адиабатным (рис. 2), который, в отличие от изотермического процесса, изображается неравнобокой гиперболой, расположенной несколько более круто по сравнению с изотермой (что и понятно, так как при быстром сжатии газа его давление растет быстрее по сравнению с медленным сжатием).
|
Скачать 11.94 Mb.