§ 74. ПРИМЕРЫ ИДЕАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ. СХЕМА ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Одной из важных проблем термодинамики является проблема трансформации теплоты в работу. Задачей теплотехники является создание машин с такими циклами, КПД которых был бы возможно ближе к КПД цикла Карно. Следует отметить, что реальные циклы тепловых двигателей необратимы и в действительности даже не замкнуты, так как в них обычно рабочее вещество по окончании цикла выбрасывается наружу. При изучении термодинамического идеального цикла любой машины принимают, что процессы обратимы и цикл замкнут, т. е. рабочее вещество не выбрасывается в атмосферу, а возвращается в первоначальное состояние. Для оценки же работы реальных машин вводят затем ряд поправок.

В одной из конструкций двигателя внутреннего сгорания предусматривается цикл, близкий к циклу, составленному двумя изохорами и двумя изотермами. Подобный цикл изображен на рисунке 7.10, а. Из начального состояния газ при температуре расширяется до состояния 2, затем происходит его изохорное охлаждение от до (состояние 3). Переход есть изотермическое сжатие при Замыкающая ветвь цикла изохора, при которой температура повышается от до (на этом участке цикла происходит мгновенное сгорание топлива, так что поршень можно считать неподвижным). Для реализации такого обратимого цикла

Рис. 7.10.

необходим набор термостатов, температуры которых составляют убывающий ряд от до Газ, совершающий цикл, можно представить заключенным в цилиндр с гладкими стенками, поршень которого нагружен дробинками. Дно цилиндра теплопроводящее. Из состояния 1 (рис. 7.10, а) газ, находясь в контакте с термостатом расширяется до состояния 2 вследствие снятия части нагрузки. Затем цилиндр последовательно ставится на все термостаты, включая последний с температурой при этом имеет место изохорное охлаждение при соответствующем уменьшении нагрузки на поршень. Далее, при контакте газа с термостатом производится изотермическое сжатие до состояния 4. Затем через контакт цилиндра со всеми термостатами (в обратном порядке) и увеличением нагрузки на поршень осуществляется изохорный нагрев

При совершении такого цикла все промежуточные термостаты, температуры которых больше и меньше не претерпевают каких-либо изменений. Работа и тепловой эффект цикла связаны только с изотермами В первом процессе от термостата бралась теплота равная работе изотермического расширения. При

Во втором изотермическом процессе выделяется теплота в термостат за счет работы сжатия:

КПД такого цикла оказывается равным КПД цикла Карно:

В другой конструкции двигателя внутреннего сгорания цикл приближается к циклу Дизеля, образуемому двумя адиабатами, изохорой и изобарой (рис. 7.11). Такой цикл именуется циклом с подводом теплоты при постоянном давлении (на участке рис. 7.11). В двигателе Подобного рода сжатие воздуха и топлива производится раздельно: воздух сжимается в цилиндре двигателя а жидкое топливо — в насосе. Сгорание топлива происходит при постоянном давлении. Идеализированный цикл состоит из изобарного расширения адиабатического расширения газа 2—3, изохорного охлаждения 3—4 и

Рис. 7.11.

Рис. 7.12.

Рис. 7.13.

адиабатического сжатия 4-1. КПД цикла равен:

Увеличение скорости и высоты полета самолетов привело к замене в авиационной технике двигателей внутреннего сгорания более мощными реактивными двигателями. В реактивном двигателе химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, а получающаяся при этом сила реакции используется как сила тяги. Существует несколько типов реактивных двигателей в зависимости от вида применяемого топлива и окислителя. Мы остановимся на одном из воздушно-реактивных двигателей (ВРД).

Наиболее простым ВРД является прямоточный двигатель. При полете с большой скоростью встречный поток воздуха, набегающий на двигатель, тормозится, в результате его скорость понижается и повышается давление. Сжатый воздух входит в диффузор (рис. 7.12), после чего он поступает в камеру сгорания 2, в которую через ряд форсунок. впрыскивается топливо. Воспламенение горючей смеси осуществляется электрической искрой. У прямоточных ВРД давление в камере сгорания практически не меняется, и их можно отнести к двигателям, использующим цикл с подводом тепла при Идеальный цикл прямоточного ВРД состоит из двух изобар и двух адиабат (рис. 7.13). Участок 1—2 соответствует подводу теплоты при сгорании топлива, участок 2—3 — процессу адиабатического расширения продуктов сгорания в сопле, участок 3— 4 — изобарному охлаждению продуктов сгорания в атмосфере; участок 4—1 — адиабатическому сжатию набегающего воздуха. КПД такого цикла равно:

Цикл турбореактивных двигателей аналогичен циклу прямоточного ВРД. Разница состоит в том, что в турбореактивном ВРД осуществляется дополнительное сжатие воздуха компрессором, что повышает КПД двигателей.

В заключение остановимся на устройстве холодильника. В нижней части бытового холодильника (рис. 7.14) имеется небольшой

Рис. 7.14.

компрессор, приводимый в движение электромотором. Система холодильного агрегата заполняется рабочим веществом (хладоагент - жидкость с низкой температурой кипения), обычно фреоном-12 (смесь органических веществ). Компрессор холодильника засасывает пары фреона из кожуха компрессора, сжимает их и нагнетает через трубопровод в конденсатор, представляющий собой трубчатый змеевик, расположенный на наружной части кожуха холодильника. В конденсаторе пары фреона конденсируются, при этом выделяющаяся теплота рассеивается в окружающее пространство через достаточно большую площадь охлаждения. После конденсатора жидкий фреон подается через капиллярную (тонкую) трубку в испаритель, имеющий достаточно большой внутренний объем и помещенный внутри шкафа холодильника. Поступающий в испаритель жидкий фреон испаряется, отнимая при этом теплоту от стенок испарителя и соприкасающегося с ним воздуха. Выход испарителя соединен трубопроводом с внутренней полостью кожуха компрессора, в который попадает пар хладоагента, охлаждается и повторяет цикл.