3.3. Процессы изменения состояния газа изотермические, адиабатические
В технике имеет большое значение изменение состояния газа, при котором расширение или сжатие его происходит таким образом, что между газом и внешней окружающей средой нет никакого теплообмена; иначе говоря, при таком изменении состояния к газу не подводится и от него не отводится тепло. Этого можно добиться, если тщательно изолировать стенки цилиндра и поршень материалами, не проводящими тепла. Это означает, что в адиабатном процессе работа расширения совершается только за счет расходования внутренней энергии газа, а при сжатии, происходящем за счет действия внешних сил, вся совершаемая ими работа идет на увеличение внутренней энергии газа.
Процесс изменения состояния газа, при котором нет теплообмена между газом и внешней средой, называется адиабатным. Адиабатный процесс изменения состояния газа описывается в pv-диаграмме; она называется адиабатой.
Представим себе, что газ расширяется в цилиндре, устроенном так, что стенки его усиленно омываются водой. Если дать возможность газу расширяться, то он будет совершать работу; при этом, если не подводить к газу извне тепла, эта работа будет совершаться за счет энергии молекул, скорость их будет уменьшаться и, следовательно, температура газа будет падать. Однако, омывая энергично стенки водой, имеющей постоянную температуру, можно не дать газу охлаждаться и добиться, чтобы температура газа все время оставалась одинаковой, почти равной температуре воды. При этом от воды к газу будет передаваться тепло. При обратном движении поршня, т. е. при сжатии газа внешней силой, температура газа будет стремиться повыситься, но при омывании цилиндра холодной водой можно добиться путем отнятия тепла от газа, чтобы температура газа оставалась почти равной температуре воды t. Таким образом, во время расширения тепло от воды будет идти к газу, а во время сжатия, наоборот, — от газа к воде, хотя как во время расширения, так и во время сжатия газа температура газа будет оставаться одинаковой. Такой процесс изменения состояния газа называется изотермическим.
Если начальное состояние газа изобразить в pv-диаграмме точкой А и проследить, что будет происходить с давлением газа, то можно обнаружить, что при расширении оно все время будет уменьшаться (рис. 3.1.), и изотермический процесс изобразится кривой АВ, называемой изотермой.
Опытным путем можно обнаружить следующее: при изотермическом расширении абсолютное давление газа уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается его удельный объем. И, наоборот, при изотермическом cжатии абсолютное давление газа увеличивается во столько раз, во сколько раз уменьшается его удельный объем.
Рис. 3.1. Относительное расположение изотермы и адиабаты
3.4. Цикл Ренкина
На современных тепловых электростанциях большой мощности превращение теплоты в работу производится в циклах, использующих в качестве основного рабочего тела водяной пар высоких давлений и температур. Водяной пар производится парогенераторами (паровыми котлами), в топках которых сжигаются различные виды органического топлива: уголь, мазут, газ и др.
Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в инженером и физиком У. Ренкиным. Принципиальная тепловая схема конденсационной электростанции (КЭС), работающей по циклу Ренкина, показана на рис. 3.2.
|
Рис. 3.2. Принципиальная тепловая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина |
Рис. 3.3. Схема идеального цикла Ренкина паросиловой установки |
В парогенераторе 1 за счет теплоты сжигаемого топлива вода, нагнетаемая в парогенератор насосом 5, превращается в водяной пар, который затем поступает в турбину 2, вращающую электрогенератор 3. Тепловая энергия пара преобразуется в турбине в механическую работу, которая в свою очередь преобразуется в генераторе в электроэнергию. Из турбины отработанный пар поступает в конденсатор 4, где он конденсируется (превращается в воду). Насос 5 нагнетает конденсат в парогенератор, замыкая таким образом цикл.
На рис. 3.3. изображен цикл Ренкина на перегретом паре в p,v-диаграмме, состоящий из следующих процессов:
— изобара (процесс расширения при постоянном давлении) 4 — 5 — 6 — 1 — процесс нагрева, испарения воды и перегрева пара в парогенераторе за счет подводимой теплоты сгорания топлива q1;
— адиабата 1 — 2 — процесс расширения пара в турбине с совершением полезной внешней работы lат;
— изобара (процесс расширения при постоянном давлении) 2 — 3 — процесс конденсации отработанного пара с отводом теплоты q2 охлаждающей водой;
— адиабата (процесс расширения без теплообмена между газом и внешней средой) 3 — 4 — процесс сжатия конденсата питательным насосом до первоначального давления в парогенераторе с затратой подводимой извне работы lан.
Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что КПД увеличивается с увеличением начальных параметров пара р1 и t1 и уменьшением конечных р2 и t2. В настоящее время на электростанциях в основном используются параметры пара р1= 23,5 МПа (240 кгс/см2) и t1= 565°С.
Цикл Ренкина отличается от цикла Карно тем, что подвод теплоты к воде и перегрев пара идут при постоянном давлении и возрастающей температуре.