Машины, работающие по циклу Стерлинга
ЦИКЛ КАРНО
Цикл Карио — это термодинамический цикл, состоящий из четырех последовательных процессов (рис. 2-2).
Для рассмотрения работы двигателя по идеальному циклу Карно предположим, что имеется поршень и цилиндр (см. рис' 2-2). Далее предположим, что цилиндр полностью изолирован, а поршень имеет возможность перемещаться в цилиндре без трения; кроме того, будем считать, что утечки рабочего тела из цилиндра отсутствуют.
По нашему желанию головка цилиндра может быть принята либо с очень высокой теплопроводностью, либо быть полностью теплоизолированной.
Предположим, что в начале цикла поршень находится в верхней мертвой точке; объем между поршнем и оболочкой цилиндра максимальный. Давление и температура рабочего тела минимальны; на рис. 2-2, а это соответствует точке /. Пусть теперь поршень движется к головке цилиндра; при этом происходит сжатие рабочего тела, что на рис. 2-2, а показано процессом 1-2. В этом случае предполагается, "что материал головки цилиндра обладает высокой теплопроводностью, а коэффициент теплопередачи бесконечно большой; вследствие этого процесс протекает изотермически (при постоянной температуре). Работа, затраченная на сжатие газа, и отведенная от него теплота показаны заштрихованными площадями соответственно на р, V- и Т, 5-диа - граммах. Поскольку процесс изотермический, количество отведенной теплоты в точности равно затраченной^работе.
|
Рис. 2-2. Цикл Карио. А — изотермическое сжатие; б — изо - энтропическое сжатие; в — изотермическое расширение; г — изоэнтропиче- ское расширение; д — цикл Карио в р, V - и Т, S-диаграммах. |
Для второго процесса — изоэнтропического сжатия (рис. 2-2, б) считается, что головка цилиндра полностью теплоизолирована. При движении поршня по направлению к головке цилиндра теплота
не может быть отведена от газа, поэтому в идеальном случае энтропия остается постоянной. Этот процесс протекает с уменьшением объема и увеличением давления и температуры газа. Работа, произведенная над газом, показана заштрихованной площадью на р, У-диаграмме, а передачи теплоты в этом процессе нет. Два остав!- шихся процесса расширения — изотермическое (3-4) и изоэнтро- пическое (4-1) показаны соответственно на рис. 2-2, виг.
В результате объединения этих четырех процессов получится цикл в р9 У - и Т, S-координатах, показанный на рис. 2-2, д. Заштрихованная площадь, ограниченная линией 1-2-3-4 на р, У-диа - грамме, представляет собой полезную работу за цикл. Аналогично площадь 4-3-5-6 на 7 5-диаграмме характеризует подведенную в цикле теплоту. Площадь 1-2-3-4 — теплота, превращенная в работу, а площадь 1-2-5-6 — теплота, отводимая от цилиндра за цикл. Из этой диаграммы ясно, почему цикл Карно имеет наибольший из возможных термический к. п. д. При заданных температурных условиях, т. е. при заданных значениях Гмакс и Тмин, невозможны циклы с ббльшим отношением площадей 1-2-3-4 и 4-3-5-6,
« W пл. 1-2-3-4
Следовательно, термический к. п. д. ri =------------- =--------------- дол-
R Q пл. 4-3-5-6
Жен быть наибольшим.
В термодинамическом анализе должны использоваться абсолютные температуры. В Г, S-диаграмме за нулевую температуру принята температура, равная —273° С (О К); вследствие этого, если требуется отвести теплоту, эквивалентную площади 1-2-5-6, то она может быть значительной.
Очевидно, что к. п. д. цикла Карно (и это вообще относится ко всем двигателям) может быть повышен либо путем увеличения температуры Гмакс, либо уменьшением температуры Гмин. Предельное значение максимальной температуры Гмакс ограничено конструкционными материалами двигателя и называется термическим пределом. За наименьшее возможное значение минимальной температуры Тмин принимается температура охлаждающей воды или воздуха, обычно находящихся при окружающих атмосферных условиях.
Сконструировать двигатели, работающие по циклу Карно, практически невозможно: нет конструкционных материалов с совершенными теплоизоляционными и теплопередающими свойствами; движение поршней в цилиндрах происходит с трением и имеются потери, связанные с утечками газа. Однако наибольшие трудности возникают из-за малой разницы в углах наклона кривых на р, У - диаграмме, описывающих изотермические и изоэнтропические процессы в * газе (например, в воздухе); вследствие этого ничтожно мала площадь на р, У-диаграмме (рис. 2-2, д)4 если только не используются давление в несколько миллионов атмосфер и ход поршня — несколько метров. При таких предельных параметрах двигатель становится громоздким, тяжелым и совершенно неспособным производить работу на преодоление собственного трения. Несмотря
на невозможность практического использования, цикл Карно полезен для предварительного изучения работы любого двигателя. К тому же при некоторых изменениях, приводящих его к циклу Ренкина, цикл Карно является характерным для работы паро - жидкостных машин, таких как, например, поршневые паровые двигатели, паровые турбины и фреоновые холодильные установки.
