Термодинамика теплового двигателя.
В настоящий момент для двигателей с внешним подводом теплоты наиболее
известен термодинамический цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух
изохор. Но возможно применение и других термодинамических циклов в подобных
двигателях.
Рассмотрим идеальный термодинамический цикл с изотермическим сжатием и
адиабатическим расширением некого гипотетического двигателя. На рис. 1
приведен такой идеальный термодинамический цикл, показанный в pV
координатах.
[pic]
Рис. 1. Идеальный термодинамический цикл
В цикле принят изохорический процесс подвода теплоты так как, его
термический КПД больше изобарического. Для упрощения расчетов,
изохорический процесс 2–3 показан прямой линией.
Термический КПД цикла по pV-диаграмме рис. 2 :
где:
P - степень повышения давления;
Q – показатель адиабаты;
T – степень сжатия.
Как видно из формулы (1) термический КПД такого цикла зависит от отношения
температур холодильника и нагревателя. Например, при T3 = 1173K; T1 = 337K;
? = 6,5; ? = 1,6 и ? = 3,5 термический КПД цикла составит 0,55. Что, при
прочих равных условиях, сопоставимо с термическим КПД цикла Стирлинга. Но в
реальном двигателе добиться, чтобы он работал по такому циклу конечно
трудно, поэтому обобщенный термодинамический цикл реального двигателя будет
выглядеть так, как показано на рис. 2.
[pic]
Рис. 2. Реальный термодинамический цикл
Работа двигателя.
Для объяснения принципа работы ДВПТ по циклу с изохорическим сжатием и
адиабатическим расширением воспользуемся рис. 3.
[pic]
Рис. 3. Принцип работы ДВПТ
Такт впуска (рис. 3а).
В верхней мертвой точке (ВМТ) открывается клапан расположенный в поршне и
при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) рабочее тело, с давлением
p1 и температурой T1, поступает в цилиндр. В НМТ клапан в поршне
закрывается.
Такт сжатия (рис. 3б).
При движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие
рабочего тела, при этом выделяющаяся в процессе сжатия теплота Q1 (см. рис.
1) рассеивается в окружающей среде, вследствие этого температура стенки
цилиндра, а, следовательно, и температура рабочего тела поддерживается
постоянной и равной T1. Давление рабочего тела возрастает и достигает
значения p2.
Такт расширения (рис. 3в).
В процессе нагревания теплота через стенку цилиндра передается рабочему
телу. При мгновенном подводе теплоты Q2 к рабочему телу давление и
температура в цилиндре возрастают, соответственно до p3 и T3. Рабочее тело
воздействует на поршень и перемещает его к НМТ. В процессе адиабатного
расширения рабочее тело производит полезную работу, а давление и
температура уменьшаются до p1 и T1.
Такт выпуска (рис. 3г).
При движении поршня к ВМТ в цилиндре открывается клапан и через него
осуществляется выпуск рабочего тела из цилиндра, с давлением p1 и
температурой T1. В НМТ клапан в цилиндре закрывается.
Цикл замыкается.
Схема двигателя.
[pic]
Рис. 4. Схема работы ДВПТ
В двигателе такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах,
соответственно компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны
между собой через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В
компрессионной магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной
магистрали 4 находится нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3
подключена к компрессионному цилиндру 1 через выпускной клапан 7, а к
расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная
магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через выпускной клапан
9, а к компрессионному цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12
цилиндров 1 и 2 связаны с валом двигателя 13 через механизм преобразования
движения 14.
Экологические проблемы тепловой энергетики.
За счет сжигания топлива (включая дрова и другие биоресурсы) в
настоящее время производится около 90% энергии. Доля тепловых источников
уменьшается до 80-85% в производстве электроэнергии. При этом в промышленно
развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для
обеспечения нужд транспорта. Например, в США (данные на 1995 г.) нефть в
общем энергобалансе страны составляла 44%,а в получении электроэнергии
-только 3%. Для угля характерна противоположная закономерность: при 22% в
общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии |52%).
В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же время в
России преобладающим источником получения электроэнергии является природный
газ (около 40%), а на долю угля приходится только 18% получаемой энергии,
доля нефти не превышает 10%.
В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5-6%
электроэнергии (в России 20,5%), атомная энергетика, дает 17-18%
электроэнергии. В России ее доля близка к 12%, а в ряде стран она является
преобладающей в энергетическом балансе (Франция - 74%, Бельгия -61%, Швеция
- 45%).
Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший
поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в
наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и
выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в
атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2),
около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются
данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду
радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.
В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их
соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС
мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн.
доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих
загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в
незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного
влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.
Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние
практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и
их сообщества. В обобщенном виде эти воздействия представлены в таблице.
|Технол|Влияние на элементы среды и биоту |Примеры цепных |
|огичес| |реакций |
|кий | | |
|процес| | |
|с | | |
| |воздух |почвы и |воды |экосистемы и | |
| | |грунты | |человека | |
|1 |2 |3 |4 |5 |6 |
|Добыча|Углевод|Повреждение|Загрязнение |Разрушение и |Загрязнение |
|топлив|о-родно|или |нефтью в |повреждение |почв-> |
|а: |е |уничтожение|результате |экосистем в местах|загрязнение вод |
|-жидко|загрязн|почв при |утечек, |добычи и при |нефтью и |
|е |ение |разведке и |особенно при |обустройстве |химреагентами ->|
|(нефть|при |добыче |авариях и |месторождений(доро|гибель планктона|
|) и в |испарен|топлива, |добычах со |ги, линии |и других групп |
|виде |ии и |передвижени|дна водоемов,|электропередач, |организмов -> |
|газа |утечках|ях |загрязнение |водопроводы и |снижение |
| | |транспорта |технологическ|т.п.), загрязнение|рыбопродукгивнос|
| | |и т.п.; |ими |при утечках и |ти -> потеря |
| | |загрязнение|химреагентами|авариях, потеря |потребительских |
| | |нефтью, |и другими |продуктивности, |или вкусовых |
| | |техническим|отходами; |ухудшение |свойств |
| | |и |разрушение |Качества |воды и продуктов|
| | |химикатам, |водоносных |продукции. |промысла |
| | |Металлолом |структур в |Воздействие на | |
| | |и др. |грунтах, |человека в | |
| | |отходами |откачка |основном через | |
| | | |подземных вод|биопродукцию | |
| | | |их сброс в |(особенно | |
| | | |водоемы |гидробионтов). | |
|-тверд|Пыль |Разрушение |Сильное |Разрушение | |
|ое: |при |почвы и |нарушение |экосистем или их | |
|угли, |взрывны|грунтов при|водоносных |элементов, | |
|сланцы|х и |добыче |структур, |особенно при | |
|торф и|других |открытыми |откачка и |открытых способах | |
|т.п.) |работах|методами |сброс в |добычи, снижение | |
| |, |(карьеры), |водоемы |продуктивности, | |
| |продукт|просадки |шахтных, |воздействие на | |
| |ы |рельефа, |часто |биоту и человека | |
| |горения|разрушение |высокоминера-|через загрязненные| |
| |террико|грунтов при|лизированных,|воздух, воды и | |
| |нов и |шахтных |железистых и |пищу. Высокая | |
| |т.п. |методах |других вод |степень | |
| | |добычи | |заболеваемости, | |
| | | | |травматизма и | |
| | | | |смертности при | |
| | | | |шахтных способах | |
| | | | |добычи | |
|Трансп|Загрязн|Загрязнение|Загрязнение |В основном через | |
|ор-тир|ение |при |нефтью в |загрязнение вод и | |
|овка |при |утечках, |результате |гидробионтов | |
|топлив|испарен|авариях, |потерь и при | | |
|а |ии |особенно |авариях | | |
| |жидкого|нефтью | | | |
| |топлива| | | | |
