Технологии будущего 2: Наш новый фреоновый паровоз (11 фото)
- 26 августа 2019
- Познай МИР
Источник:
Идеальным циклом тепловой машины является так называемый цикл Карно. Это - идеальный случай тепловой машины, "альфа и омега" прикладной термодинамики, её священный Грааль и сферический конь - одновременно. В реальности он нигде не реализован, но абстракция этого цикла очень важна для оценки всех прикладных идей, как, например, важна абстракция математической точки для доказательства всех теорем геометрии.
Предложил этот цикл для оценки тепловых машин в середине XIX века французский учёный Сади Карно. Цикл подразумевает, что расширение, сжатие, передача энергии рабочему телу и забор избыточной энергии от него идут максимально (в идеале - бесконечно) долго и без каких-либо дополнительных потерь на трение, уход энергии через стенки рабочего объёма и пр. Понятное дело, реализовать такой цикл в рамках реальной тепловой машины невозможно - и, в результате, по факту человечество использует quick and dirty ways в виде реальных термодинамических циклов, в той или иной степени являющихся суррогатами идеального цикла Карно.
Для удобства расчётов все термодинамические циклы рисуют в специальных координатах "температура-энтропия" (T-s), в которых их удобно анализировать и сравнивать между собой. Наш эталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, красив и лаконичен:
Источник:
Цикл Карно позволяет получить максимальный КПД тепловой машины при заданных температурах нагревателя и холодильника. Если кто-то хочет понять - почему, может самостоятельно изучить все изобретённые человечеством термодинамические циклы и сравнить их с задумкой Сади Карно. Для нашего, сугубо прикладного понимания, достаточно знать, что данный максимальный КПД определяется отношением площадей прямоугольников ABCD (это и есть полезная работа цикла) и ABs2s1 (это - общая энергия, затраченная на цикл). Из этого следует, что чем ближе реальный цикл к "прямоугольнику Карно", тем больший КПД мы можем ожидать от такого цикла. Полезная работа в цикле Карно, как и в цикле Дизеля осуществляется только на одном участке - на прямой BC. Кстати, задним числом, посмотрев на диаграмму цикла Дизеля в координатах T-s можно понять, почему мы так любим старика - его диаграмма пусть и не прямоугольник Карно, но очень старается им быть.
Поэтому, если мы хотим поднимать КПД тепловых машин (а мы помним, что КПД первичной энергии всё равно будет неизбежно падать и поэтому нам надо будет в будущем бороться за каждый процент КПД в последующем преобразовании первичной энергии), то из термодинамической математики у нас для этого есть всего три пути:
1. Повышать температуру нагревателя (увеличивать прямоугольник ABCD).
2. Понижать температуру охладителя (уменьшать прямоугольник CDs1s2 ).
3. Использовать более "прямоугольные" термодинамические циклы.
Классическое рабочее тело - вода, широко используемое сейчас в тепловых турбинах, имеет очень неприятную кривую в координатах T-s (температура-энтропия). Ниже, на рисунках всё видно наглядно, но я объясню всё "на пальцах".
Процесс расширения пара любого вещества - будь то воды или любого органического рабочего тела - пытаются сделать максимально изэнтропическим, то есть провести практически без механических или тепловых потерь. На диаграмме T-s этот процесс соответствует вертикальной прямой, а значит, наш цикл в этой части будет хорошо повторять "идеальный прямоугольник Карно". Изэнтропическому процессу соответствует идеальная адиабата - то есть процесс свободного расширения газа или пара. Вот пример реального цикла Ренкина, который используют сейчас в паровых турбинах. В отличии от цикла Дизеля, который привязан к каждому обороту двигателя внутреннего сгорания, циклы турбин непериодичны, то есть они показывают лишь усреднённое движение всего рабочего тела в цикле. Но для термодинамики это никакой роли не играет:
Источник:
Цикл Ренкина паровой турбины на воде - расположен внутри кривой 1-2-3-4. Расширение пара - участок 3-4
В реальной жизни и поршневые машины, и турбины изэнтропически газ и пар не расширяют, поэтому процесс получения полезной энергии из цикла происходит с потерями, и вертикальная прямая адиабатического расширения на графике немного отклоняется своим нижним концом в правую сторону.
Поскольку процесс адиабатического расширения идёт у пара и у газа с одновременной потерей и давления, и температуры - так устроен мир - то рано или поздно пар рабочего тела оказывается охлаждённым до температуры конденсации (пар из трубы паровоза). При этом прохождение "точки росы" (точка 4 на первом графике) означает, что дальнейшая работа паром производится не может, поскольку любое дальнейшее расширение пара будет только вызывать только его конденсацию. Избежать точки росы при работе на воде не получается - внутри "горбатой горы", которая дополнительно нарисована на диаграмме T-s для воды, вода охотно пребывает и в состоянии пара, и в состоянии жидкости.
