Почему в качестве рабочего тела в тепловых двигателях используют газы и пары
Обновлено: 19.05.2024
В период создания первых тепловых машин искали цикл, в котором можно получить самый высокий КПД (коэффициент полезного действия). Сади Карно, исследуя совокупность термодинамических процессов, по наитию пришел к разработке своего цикла, получившим его имя - цикл Карно. В нем последовательно выполняются изотермический, затем адиабатический процесс сжатия. Рабочее тело после выполнения этих процессов обладает запасом внутренней энергии, но цикл еще не завершен, поэтому рабочее тело расширяется и выполняет изотермический процесс расширения. Чтобы закончить цикл и вернуться к исходным параметрам рабочего тела, выполняется адиабатический процесс расширения.
Карно доказал, что КПД в его цикле достигает максимума и зависит только от температур двух изотерм. Чем выше разность между ними, тем, соответственно, выше термический КПД. Попытки создать тепловую машину по циклу Карно так и не увенчались успехом. Это идеальный цикл, который выполнить нельзя. Но он доказал главный принцип второго начала термодинамики о невозможности получения работы, равной затратам тепловой энергии. Был сформулирован ряд определений второму началу (закону) термодинамики, на основании которых Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии. Главный вывод его исследований - энтропия постоянно возрастает, что ведет к тепловой "смерти". Самым главным достижением Клаузиуса явилось понимание сути адиабатического процесса, при его выполнении энтропия рабочего тела не меняется. Поэтому адиабатический процесс по Клаузиусу - это s=const. Здесь s - это энтропия, которая дает еще одно название процессу, совершаемому без подвода или отвода теплоты, - изоэнтропийный процесс. Ученый занимался поиском такого цикла тепловой машины, где не происходило бы увеличение энтропии. Но, к сожалению, такого он создать не сумел. Поэтому вывел, что тепловая машина не может быть создана вообще.
Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине. Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы. Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.
В цикле Отто сжимается горючая смесь, поэтому величина сжатия ее сравнительно небольшая - горючая смесь имеет склонность детонировать (взрываться при достижении критических давлений и температур). Поэтому работа при адиабатическом процессе сжатия сравнительно невелика. Здесь введено еще одно понятие: степень сжатия - отношение полного объема к объему сжатия. Поиск путей увеличения эффективности использования энергии топлива продолжался. Увеличение КПД видели в повышении степени сжатия. Рудольф Дизель разработал свой цикл, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении (в изобарном процессе). Его цикл лег в основу двигателей, использующих дизельное топливо (его еще называют соляркой). В цикле Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух. Поэтому говорят, что совершается работа в адиабатическом процессе. Температура и давление в конце сжатия высоки, поэтому через форсунки осуществляется впрыск топлива. Оно перемешивается с горячим воздухом, образует горючую смесь. Она сгорает, при этом увеличивается внутренняя энергия рабочего тела. Далее расширение газа идет по адиабате, совершается рабочий ход. Попытка реализовать цикл Дизеля в тепловых машинах не удалась, поэтому Густав Тринклер создал комбинированный цикл Тринклера. Его и используют в сегодняшних дизельных двигателях. В цикле Тринклера теплота подводится по изохоре, а потом по изобаре. Только после этого выполняется адиабатический процесс расширения рабочего тела.
По аналогии с поршневыми тепловыми машинами работают и турбинные. Но в них процесс отвода теплоты по завершении полезного адиабатического расширения газа выполняется по изобаре. На самолетах с газотурбинным и турбовинтовым двигателями адиабатический процесс совершается дважды: при сжатии и расширении. Чтобы обосновать все основополагающие понятия адиабатического процесса, были предложены расчетные формулы. Здесь фигурирует важная величина, получившая название показатель адиабаты. Его значение для двухатомного газа (кислород и азот - это основные двухатомные газы, имеющиеся в воздухе) равно 1,4. Для расчета показателя адиабаты используются еще две интересные характеристики, а именно: изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела. Отношение их
- и есть показатель адиабаты. Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой. 90 % электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина. В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара. Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий. термодинамический адиабата тепловой двигатель
1)Почему в качестве рабочего тела в тепловом двигателе используют газ или пар?
2)Изменится ли КПД идеальной тепловой машины , если температура и нагревателя, и холодильника увеличится в 4 раза?
3) Изменится ли КПД идеальной тепловой машины, если температуру холодильника и нагревателя увеличить на одну и ту же величину?
1) в качестве рабочего тела используют газ или пар потому что энергию пара и газа легче преобразовать в механическую работу
2) нет не изменится потому что
КПД=(T1-T2)/T1=(4*T1 -4*T2)/4*T1=(T1-T2)/T1
В предыдущих разделах было показано, что тепловые электрические станции, работающие на водяном паре, являются в настоящее время наиболее распространенными. Было показано также, что и в дальнейшем наряду со строительством гидростанций будут создаваться новые, мощные теплоэлектростанции, оборудованные новейшими паровыми котлами и турбинами . Было дано описание схемы паросиловой установки, и объяснение принципа ее работы, а также рассмотрено устройство основного оборудования тепловой электрической станции: парового котла и паровой турбины.
Итак на тепловой электростанции происходят следующие превращения энергии. Прежде всего химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию. Это превращение происходит в паровом котле. Сначала теплота, образовавшаяся в результате сжигания топлива, воспринимается газами, образующимися при горении, а затем она передается воде и далее водяному пару.
Второе превращение энергии происходит в тепловом двигателе. Здесь тепловая энергия, которой обладает водяной пар, превращается в механическую энергию, в работу. Работа совершается водяным паром, приводящим во вращение диски и вал турбины. По этой причине вещество, поступающее в тепловой двигатель и обладающее значительным запасом тепловой энергии, а затем производящее работу, в нашем случае водяной пар, именуется рабочим веществом или рабочим телом теплового двигателя.
Третье превращение энергии происходит в электрическом генераторе — машине, приводимой в действие тепловым двигателем и предназначенной для превращения механической энергии, работы, в электрическую энергию.
Теперь мы можем перейти к обсуждению следующего вопроса: почему именно водяной пар, а не какой-либо иной пар или газ нашел такое широкое применение в паросиловых установках?
В принципе в паросиловой установке может быть использован любой пар или газ. Однако оказывается, что далеко не безразлично, какой именно пар или газ будет избран для этой цели. Теория и опыт показывают, что водяной пар обладает «рядом преимуществ по сравнению с другими парами и газами. Прежде чем назвать эти преимущества водяного пара, необходимо остановиться на вопросе о том, какими же свойствами должно обладать вещество, избранное в качестве рабочего тела, чтобы обеспечить наиболее экономичную работу тепловой электростанции.
Для того чтобы ответить на этот вопрос, следует сказать несколько слов относительно особых свойств тепловой энергии. Допустим, что в нашем распоряжении имеются две группы тел. Перш я группа тел имеет одинаковую сравнительно низкую температуру, а вторая—также одинаковую, но отличную от первой и более высокую температуру. Допустим также, что все тела, имеющиеся в нашем распоряжении, изолированы от окружающей среды. Это значит, в частности, что тепло от этих тел не может быть передано окружающей среде, равно как и окружающая среда не может передать тепла этим телам. В теплотехнике (точнее сказать, в термодинамике — науке, изучающей процессы превращения тепла в работу) такие полностью изолированные от окружающей среды тела называются изолированной системой.
Если тела, составляющие изолированную систему, как мы и предполагали, имеют различную температуру, то, как показывает опыт, такая система способна произвести работу. По мере того как производится работа, разность температур между различными телами системы будет уменьшаться, а когда температура всех тел станет одинаковой, дальнейшее производство работы системой будет невозможным. Такую систему, все тела которой обладают одной и той же температурой, именуют системой, находящейся в тепловом равновесии.
Всякое выравнивание температур в изолированной системе является, конечно, результатом перехода тепла от тела, более нагретого, к телу, менее нагретому. Переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой может сопровождаться производством работы. Если количество тепла, перешедшее от одного тела к другому — известно (допустим, что это количество тепла равно одной калории), то о величине работы, которая могла бы быть ,произведена при наиболее благоприятном проведении процесса, нельзя еще сказать ничего определенного. Для того чтобы можно было судить о том, какая работа может быть произведена системой, кроме количества тепла, перешедшего от одного тела к другому, необходимо знать еще температуры обоих тел. Опыт показывает, что работа, которую может произвести система, тем больше, чем больше тепла переходит от одних тел к другим и чем больше разность температур между этими телами.
С точки зрения производства работы переход тепла от одного тела (более нагретого) к другому телу (менее нагретому) можно уподобить падению воды с более высокого уровня на более низкий уровень. Известно, что падение воды с одного уровня на другой может быть использовано для получения работы. Собственно говоря, работа всех гидростанций основана именно на этом принципе. Известно также, что работа, которая может быть получена в результате падения воды, будет тем больше, чем больше количество падающей воды и чем больше разность уровней падения. Более того, величина наибольшей работы, которая может быть получена, равна произведению веса падающей воды на разность уровней. Также и при переходе тепла: возможная работа тем больше, чем больше количество тепла (в предыдущем случае—количество воды) и разность температур (разность уровней падения). Правда, величина наибольшей, возможной работы, которая может быть получена в результате перехода тепла, не равна произведению количества тепла на разность температур. Вообще приведенное сравнение является не более как иллюстрацией, позволяющей на первых порах лучше представить явление перехода тепла и производства работы.
Таким образом, чтобы судить о том, какое количество работы может произвести рассматриваемая изолированная система, необходимо знать, какое количество тепла должно перейти от тел, более нагретых, к телам, более холодным, прежде чем температуры этих тел сделаются одинаковыми, и каковы температуры тел в начале.
Особенно важно отметить следующее обстоятельство: так же как перетекание воды с более высокого уровня на более низкий без совершения работы представляет собой потерю возможной работы, так и всякий переход тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой без производства работы, также представляет собой потерю возможной работы.
Рабочее тело теплового двигателя, например, водяной пар, приводящий в движение турбинное колесо, получает тепло из внешнего источника. В паросиловой установке таким источником тепла являются газы, образующиеся в результате горения топлива. Так как сжигание топлива в топке парового котла производится непрерывно, то и рабочее тело может непрерывно получать тепло от этого горячего источника. Собственно для этой дели и предназначен паровой котел. Каждый килограмм водяного пара при прочих равных условиях может совершить в тепловом двигателе тем большую работу, чем выше его температура при входе в двигатель, аналогично тому, как каждый килограмм воды, падая, может совершать тем большую работу, чем выше верхний уровень падающей воды. При этом важно отметить, что большое значение имеет не только температура рабочего тела на входе в двигатель, но и характер процесса подвода тепла от источника тепла к рабочему телу. Для того чтобы уменьшить потери возможной работы, необходимо уменьшать разность температур между источником тепла и рабочим телом, или, иначе говоря, стараться подводить тепло к рабочему телу при наивысшей температуре последнего.
Такого же рода соображения справедливы и в случае отвода тепла от рабочего тела. Рабочее тело по выходе из теплового двигателя отдает известное количество тепла среде, имеющей практически неизменную температуру. Так, например, водяной пар из паровой турбины поступает в конденсатор, в котором отдает тепло охлаждающей воде, а сам превращается в воду. Очевидно, что для того чтобы произвести возможно больше работы, рабочее тело должно охлаждаться в двигателе до температуры среды, а затем передавать тепло среде, находясь при наинизшей температуре, равной температуре среды.
Таким образом, мы пришли к следующему, весьма важному выводу: для того чтобы получить возможно больше работы, а это значит заставить двигатель работать с наибольшей экономичностью, необходимо, чтобы рабочее тело на входе в двигатель имело возможно большую температуру, а на выходе из двигателя — возможно меньшую; кроме того, необходимо, чтобы тепло сообщалось рабочему телу при возможно большей его температуре, а отводилось — при возможно меньшей. В этом смысле лучше всего было бы, чтобы тепло подводилось к рабочему телу только при наивысшей его температуре, а отвадилось от рабочего тела только при наиболее низкой его температуре.
Понижение температуры рабочего тела от наиболее высокой до низкой происходит, как уже сказано выше, в тепловом двигателе в процессе производства работы. Но как можно поднять температуру рабочего тела от низкой до высокой, не подводя к нему тепла?
Оказывается в принципе такой процесс осуществить весьма просто. Нечто подобное можно наблюдать в так называемом пневматическом огниве, представленном на рисунке:
Как видно из рисунка, пневматическое огниво представляет собой закрытый цилиндр с подвижным поршнем. Внутрь цилиндра кладется кусок ваты, пропитанной легковоспламеняющейся жидкостью, например, бензином. Затем поршень быстро вдвигается в цилиндр. Воздух, находящийся в цилиндре, быстро, т.е. практически без теплообмена с окружающей средой, сжимается. Одновременно с ростом давления воздуха растет и его температура, вследствие чего вата воспламеняется. Такие быстро протекающие процессы расширения или сжатия газа, во время которых теплообмен практически произойти не успевает, называются в технике адиабатическими.
Следовательно, для того чтобы увеличить температуру рабочего тела от температуры среды до наивысшей, нужной температуры, не подводя при этом тепла от внешнего источника, необходимо произвести адиабатическое сжатие рабочего тела. При этом, конечно, необходимо затратить определенную работу.
Таким образом, на основе проведенных рассуждений мы приходим к очень интересному выводу: для того чтобы двигатель работал экономично, рабочее тело должно последовательно совершить ряд вполне определенных процессов. Сначала рабочее тело должно быть адиабатически сжато от начальной температуры, равной температуре окружающей среды, до наивысшей температуры. Затем к рабочему телу должно быть подведено тепло от внешнего источника (например, от горячих газов), а температура рабочего тела в процессе .подвода тепла должна остаться неизменной; такое нагревание (или охлаждение) именуется в технике изотермическим. Вслед за этим рабочее тело адиабатически расширяется, производя работу; температура рабочего тела в конце расширения снова должна стать равной температуре окружающей среды. Последним процессом, в результате которого рабочее тело возвращается в исходное состояние, должен быть изотермический отвод тепла от рабочего тела и передача этого тепла окружающей среде.
В науке, именуемой термодинамикой и занимающейся, как мы уже сказали, исследованием процессов превращения тепла в работу, строго доказывается, что двигатель будет работать наиболее экономично в том случае, когда рабочее тело будет последовательно совершать следующие процессы: адиабатическое сжатие, изотермический подвод тепла (изотермическое расширение), адиабатическое расширение, изотермический отвод тепла (изотермическое сжатие). Сочетание этих четырех процессов именуется циклом Карно. Большое теоретическое и практическое значение цикла Карно заключается в том, что он является наиболее выгодным из всех возможных циклов эталоном, по которому можно проверять степень совершенства любого теплового двигателя.
Как видим, мы пришли к такому же выводу с помощью сравнительно простых рассуждений о свойствах теплоты.
Итак, какие же требования предъявляются к рабочему телу? Какими свойствами должно обладать рабочее тело для того, чтобы двигатель работал наиболее экономично?
Из сказанного следует, что для наиболее экономичной работы установки необходимо подводить тепло к рабочему телу изотермически, при наивысшей его температуре, и отводить тепло также изотермически, но при наинизшей температуре рабочего тела. Оказывается, что это важное условие экономичной работы двигателя далеко не всегда удается выполнить.
Но как же осуществить это последнее требование? Как добиться того, чтобы произведенная за определенное время работа была равна подведенному за то же время теплу?
Представить себе это можно таким образом. Допустим, что разность температур между греющим телом (источником тепла) и заключенном в цилиндре воздухом очень мала. Очевидно, что в этом случае и переход тепла будет происходить чрезвычайно медленно. Столь же медленно должно происходить и расширение воздуха, а значит и перемещение поршня. При этих условиях можно представить себе, что все подведенное тепло успевает превратиться в работу, а температура воздуха не изменяется, т.е. процесс расширения воздуха и подвода к нему тепла является изотермическим.
Но одно дело представить себе мысленно какой-либо процесс, а другое дело осуществить его на практике. Процессы в двигателях протекают в действительности очень быстро и ясно, потому что попытка осуществить изотермический процесс описанным способом заранее обречена на неудачу.
Таким образом, мы снова (в который уже раз) оказались как будто бы в очень трудном положении: с одной стороны, для экономичной работы паросиловой установки требуется осуществить изотермический процесс, а с другой стороны, предлагаемый способ его проведения оказывается практически не осуществимым.
Но как уже мог наблюдать читатель, наука не знает неразрешимых проблем. В результате длительного и упорного труда всегда удается найти правильное решение любой, казалось бы, неразрешимой задачи. Так было и в данном случае. Если изотермический процесс оказывается крайне трудно осуществить для воздуха или какого-либо другого газа, то осуществление его для испаряющейся при неизменном давлении жидкости или конденсирующегося, также при неизменном давлении, пара, наоборот, провести весьма просто.
Из опыта известно, что если производить испарение жидкости при неизменном давлении, то за время парообразования температура жидкости и образующегося пара остаётся постоянной. С такими примерами приходится сталкиваться на каждом шагу. Если нагревать воду, налитую, скажем, в чайник, на пламени газовой горелки, то через некоторое время будет достигнута температура кипения, равная примерно 100 °С. Если крышка чайника открыта, то давление на поверхности воды постоянно и, очевидно, равно атмосферному давлению. Если оставить чайник на пламени горелки и далее, то, несмотря на продолжающийся подвод тепла к воде, температура ее больше повышаться не будет, в чем легко убедиться, опустив в воду термометр. Так будет продолжаться до тех пор, пока не испарится вся вода, находящаяся в чайнике. Известно, что температура кипения для данной жидкости зависит от давления, при котором происходит парообразование. Представим себе, что вода налита не в чайник, а в цилиндр с подвижным поршнем. Давление, под которым будет находиться вода, зависит исключительно от веса гири, положенной на подвижный поршень; чем больше вес гири, тем больше и давление воды. Если подводить тепло к воде, заключенной в цилиндре, то через определенное время начнется процесс парообразования. В процессе парообразования температур а будет оставаться неизменной, а величина ее будет определяться только лишь давлением, при котором происходит испарение. После того как превратится в пар последняя капля воды, начнется перегрев пара: при дальнейшем подводе тепла температура пара снова будет возрастать. Аналогичным образом при отводе тепла от пара и при неизменной его температуре происходит процесс конденсации.
Таким образом, каждому значению давления соответствует для данного вещества определенная температура кипения. В результате тщательных измерений установлена зависимость температуры кипения от давления для многих веществ, в том числе и для воды. Так, например, зависимость температуры кипения от давления для воды можно проиллюстрировать следующей табличкой.
Следует иметь в виду, что каждое вещество имеет свою так называемую критическую температуру. (Критическая температура замечательна тем, что любой газ (пар) может быть превращен в жидкость только в случае, если он будет охлажден до более низкой температуры, чем критическая. Для воды критическая температура равна 374,15° С.
Из всего сказанного ясно, что в качестве рабочих тел мощных тепловых энергетических установок выгоднее использовать легко превращаемые в жидкости пары.
Почему же из большого числа самых различных паров именно водяной пар заслуживает особого предпочтения? Ответить на этот вопрос нетрудно. Очевидно, что в качестве рабочего тела нужно избрать такое вещество, критическая температура которого является достаточно высокой. В противном случае не удастся осуществить изотермический подвод тепла при высокой температуре. Кроме того, желательно, чтобы давление парообразования, соответствующее температуре изотермического подвода тепла, было бы не слишком высоким, а давление конденсации при изотермическом отводе тепла было бы не слишком низким. Последнее требование основывается на том, что с технико-экономической точки прения в паросиловой установке желательно избежать как весьма высоких давлений так и глубокого разрежения (вакуума). Водяной пар лучше, чем любое другое ‘вещество, отвечает этим требованиям. Правда, было бы еще лучше, если бы критическая температура водяного пара была бы не 374 °С, а, например, 800 °C. В этом случае удалось бы осуществить изотермический подвод тепла при более высокой температуре, например при 500 — 550° С. Также было бы лучше, если бы давление парообразования при высоких температурах было бы ниже, а при низких температурах — несколько выше. Тогда не было бы необходимости и таи на весьма высокие давления пара перед турбинной, а также не было бы необходимости создавать в конденсаторе глубокий вакуум. Но с этими недостатками водяного пара как рабочего вещества приходится мириться, так как другое, более подходящее вещество нам неизвестно.
Водяной пар обладает, кроме перечисленных, рядом других физических свойств, подтверждающих целесообразность использования его в качестве рабочего вещества.
Одновременно следует отметить, что, кроме нужных физических свойств, рабочее тело должно обладать и рядом других необходимых качеств. В частности, рабочее тело должно быть невзрывоопасно и неядовито, не должно разлагаться при используемых в установке температурах и вредно действовать на металл. Кроме того, вещество, используемое в качестве рабочего тела, должно быть широко распространено в природе, т.е. недорого. Перечисленным требованиям водяной пар также отвечает лучше других веществ.
Теперь читатель может судить о том, что современные мощные энергетические тепловые двигатели — паровые турбины — не случайно работают на водяном паре. Использование водяного пара в качестве рабочего тела является наиболее целесообразным.
1)Почему в качестве рабочего тела в тепловом двигателе используют газ или пар? 2)Изменится ли КПД идеальной тепловой машины , если температура и нагревателя, и холодильника увеличится в 4 раза? 3) Изменится ли КПД идеальной тепловой машины, если температуру холодильника и нагревателя увеличить на одну и ту же величину?
1) в качестве рабочего тела используют газ или пар потому что энергию пара и газа легче преобразовать в механическую работу 2) нет не изменится потому что КПД=(T1-T2)/T1=(4*T1 -4*T2)/4*T1=(T1-T2)/T1 3) да изменится КПД1= (T1-T2)/T1 КПД2=(T1+ΔT - (T2+ΔT))/(T1+ΔT)=(T1-T2)/(T1+ΔT) кпд уменьшится так как КПД1/КПД2= (T1+ΔT)/T1 >1
Читайте также: