0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Давление рабочего тела в тепловых двигателях

Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты

Автомобильный двигатель прошел длительный путь развития и с технической точки зрения является совершенным. Однако до настоящего времени наибольшее внимание в процессе его совершенствования уделялось достижению максимальной мощности, малой массы и размеров двигателя, минимальных производственных затрат. Теперь на первый план как важнейший критерий оценки двигателя выступает минимизация потребления им топлива. Снижения потребления топлива достичь непросто, и, кроме того, оно может оказывать неблагоприятное влияние на ряд параметров двигателя.

Несмотря на постоянно сокращающиеся возможности совершенствования современных двигателей внутреннего сгорания, им по-прежнему уделяется большое внимание. Это связано, прежде всего, с трудностями перевооружения такой громадной отрасли как автомобилестроение. Тем не менее, выполнение выдвигаемых на перспективу жестких требований к чистоте отработавших газов и экономичности, к бензиновым и дизельным двигателям внутреннего сгорания не представляется возможным.

Поэтому целесообразно уделять внимание радикальному изменению силовых установок механических транспортных средств. Одним из вариантов такого радикального изменения силовой установки является двигатель с внешним подводом теплоты. Возможности совершенствования, такого двигателя еще не исчерпаны. Необходимо совершенствовать как его термодинамический цикл, так и саму силовую установку его использующую.

ООО Свой Мастер & PoliStyle

07 сентября 2021

  • Услуги
  • Цены
  • СНиПы/ГОСТы
  • Галерея
  • Статьи

Статьи:

  • Мебель и сборка
  • Ремонт и интерьер
  • ПУЭ и электрика
  • Стиль и дизайн
  • Сантехника
  • Материалы
  • Экспертиза
  • Документация
  • ГОСТы и СНиПы
  • Двери и окна
  • Фен-шуй в доме

Тепловые насосы

Тепловой насос предназначен для передачи тепловой энергии от источника с низкой температурой (низкопотенциального) к теплоносителю с более высокой температурой. Тепловой насос можно сравнить с холодильником, только работает он не на охлаждение, а на нагрев. В холодильнике производство холода осуществляется испарителем (морозильной камерой), а конденсатор (радиаторная решетка на задней стенке холодильника) отдает теплоту в окружающую среду. В тепловом насосе наоборот, конденсатор выделяет полезную теплоту, которую с помощью теплообменника используют в отопительных приборах, а испаритель утилизирует низкотемпературную теплоту с помощью сред, имеющих сравнительно постоянную температуру, например геотермальные тепловые насосы утилизируют низкую температуру в грунт. Так же используются грунтовые воды водоемы, окружающая среда, солнечная энергия, вторичные энергоресурсы и т.д.

Для работы теплового насоса требуется компрессор, который потребляет электроэнергию. Эффективность теплового насоса определяет коэффициент преобразования — это отношение тепловой энергии, которую он вырабатывает, к затраченной электроэнергии. Коэффициент преобразования зависит как от конструкции самого насоса, так и от низкопотенциального источника теплоты и колеблется в пределах 2 — 7.

Устройство и термодинамика теплового насоса

Рис. 1 Схема компрессионного теплового насоса

В качестве рабочего тела в компрессионном тепловом насосе используется хладоагенты — жидкости с достаточно большой теплотой парообразования, кипящие при низких (+5. -50 °С) температурах и давлениях несколько больших атмосферного. Обычно это аммиак и фреоны.

Основными элементами установки является конденсатор, дроссель, испаритель, компрессор. В испарителе при низком давлении и, следовательно, при низкой температуре происходит испарение (кипение) фреона за счет тепла низкопотенциального источника тепловой энергии, от которого при этом отбирается количество тепла q2. Пары фреона всасываются и сжимаются компрессором, при этом рабочему телу (фреону) сообщается энергия, затрачиваемая компрессором Lk. Пары затем поступают в конденсатор (теплообменник, аналогичный испарителю), где фреон конденсируется при более высоком давлении, создаваемым компрессором, а следовательно, при более высокой температуре. При конденсации отбирается тепло от рабочего тела, это производится теплоносителем в системе потребителя теплоты (он холоднее конденсирующегося фреона), этот теплоноситель отбирает от фреона количество тепла q1. Жидкий фреон затем поступает в дроссель (это тонкое отверстие), давление резко снижается. В испаритель фреон поступает с низким давлением, и цикл повторяется.

Читать еще:  Двигатель aee датчик температуры

Описанная схема может выполнять две задачи: охлаждать или нагревать объект. Машины, предназначенные для отбора тепла от тел с низкой температурой, называются холодильниками; устройства, передающие тепло телам с более высокой температурой, называются тепловыми насосами, т.е. название агрегата зависит от функции.

По II закону термодинамики тепло не может само собой переходить от холодного тела (источник низкопотенциальной тепловой энергии) к теплому (теплоноситель в системе у потребителя). Для осуществления такого теплового потока требуется затрата энергии. В данном случае эта энергия представлена энергией, затраченной компрессором:

Следовательно, горячему телу с температурой Т1 передается больше тепла, чем взято у холодного тела с температурой Т2: q1 = q2 + lk . В этом заключается термодинамический смысл отопления описанным способом (отбирается тепло от холодного тела, добавляется энергия, приложенная к рабочему телу).

Обратный цикл Карно (теоретическое сочетание процессов в данной схеме) характеризуется отопительным коэффициентом φ:

и холодильным коэффициентом ε:

которые связаны между собой так:

Чем меньше ΔT = T1 — T2 , тем выше эффективность работы (меньше затрачивается энергия на «прокачку» тепла), т.е. при отоплении желательно использовать на испарителе наиболее теплые источники (сбросная вода TЭС, геотермальные воды и т.п.), а при охлаждении объектов — на конденсаторе нужно использовать наиболее холодные источники (не подвергать облучению солнцем, подальше от теплых тел, выбирать по возможности холодные места).

Тепловой двигатель предназначен для работы за счет теплоты промышленных газов и газов отопительных систем и может быть использован при создании теплосиловых установок и в качестве привода различных машин. Газ подают через направляющий аппарат в разгонную камеру под углом к направлению вращения, где одновременно с расширением отводят от него тепло (охлаждают). Отводимое тепло преобразуют во вращательное движение, для этого на всем пути в разгонной камере увеличивают радиальную скорость потока обратно пропорционально радиусу вращения, увеличивают высоту потока обратно пропорционально уменьшению плотности. При этом выдерживают угол вращения меньше 40 o и разность давления между входным и выходным сечениями, равным или меньшим тангенциальной составляющей динамического давления потока. После расширения и срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают. Затем рабочее тело нагревают и снова расширяют с отводом тепла. Осуществляют способ с помощью теплового двигателя, выполненного в виде кольцевой разгонной камеры, образованной между двумя кольцевыми плоскостями, переходящими в осевое направление на выходе. На входе в камеру установлен направляющий аппарат. На выходе из разгонной камеры установлена газовая турбина, пройдя которую, поток попадает в осевой компрессор, сжимается и выбрасывается наружу, при этом мощность через вал турбины передается потребителю энергии и компрессору. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ работы теплового двигателя, работающего за счет теплоты промышленных газов, газов отопительных систем, включающий подачу рабочего тела через сопловой аппарат, сработывание скоростного напора на лопатках турбины, сжатие рабочего тела и его подогрев, а также отвод тепла от рабочего тела, отличающийся тем, что тепло от рабочего тела отводят при расширении в разгонной камере и во время отвода преобразуют все отводимое тепло во вращательное движение рабочего тела, за счет того что выдерживают разность давлений между входным и выходным сечениями разгонной камеры равной или меньшей тангенциальной составляющей скоростного напора потока, выдерживают угол вращения на всем пути разгонной камеры меньше 40 o , а высоту потока увеличивают обратно пропорционально плотности рабочего тела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол вращения потока на всем пути в разгонной камере выдерживают равным 31 o 40′. 3. Тепловой двигатель, содержащий корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, размещенные в корпусе сопловой аппарат, рабочее колесо газовой турбины и компрессор, отличающийся тем, что между сопловым аппаратом и колесом турбины образована разгонная камера с увеличивающейся высотой от входа к выходу, причем угол вращения рабочего тела на всем пути разгонной камеры меньше 40 o . 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при выполнении рабочего колеса турбины осевого типа разгонная камера выполнена радиально-осевой. 5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при выполнении рабочего колеса турбины центростремительного типа разгонная камера выполнена радиальной. 6. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела до давления ниже атмосферного компрессор устанавливается за турбиной. 7. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела от давления выше атмосферного до атмосферного давления компрессор устанавливается перед турбиной.

Читать еще:  В чем измеряется скольжение асинхронного двигателя

Тепловая нагрузка

Тепловое давление формируется из-за теплового расширения или сжатия. Иногда термический процесс несет разрушение (взрыв бензина) или пользу (две соединенные части охлаждаются вместе). При помощи теплового давления объясняют множество явлений (выветривание горных пород, расширение льда на замерзшем тротуаре).

Создаваемые тепловым давлением силы могут быть очень серьезными. Если у железной дороги нет достаточных компенсационных швов, то они могут менять свой размер. Летом заметно, что линии электропередач провисают. На гипсовых стенах появляются трещины при нагреве, а при быстром охлаждении раскаленная сковорода может потрескаться. Биологические клетки способны взорваться, если продукты замерзают. Это даже просматривается в океанах, где из-за таяния ледников повысился уровень воды.

В качестве имплантатов часто используют металл. С течением времени большую их часть приходится заменять, потому что металл не особо сильно контактирует с костью. Сейчас исследователи разрабатывают новые методики, что исправить проблему. Важно отыскать покрытие с коэффициентом расширения, соотносящимся с коэффициентом металла. Если они сильно отличаются, то термическое давление приведет к трещинам.

Вспомните также о пломбах, которые отличаются от эмали. Просто не удивляйтесь, если испытываете боль, когда едите горячую или холодную пищу.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Заключение

Как видите, важность давления в централизованных сетях теплоснабжения несколько преувеличена. Пусть даже хозяин квартиры осведомлен, что у него в трубах должно быть 0.7 МПа, но это ему мало что дает. Кроме правильного подбора радиаторов и труб для замены магистралей.

Подпитка ручным насосом

В частном доме картина иная: показания манометра, да еще лужица около предохранительного клапана служит индикатором мелких либо существенных неисправностей. Эти вещи необходимо отслеживать и вовремя реагировать подпиткой системы, чтобы поднять давление до нормы. Не стоит забывать и о расширительном бачке – вовремя подкачивать воздушную камеру и следить за целостностью мембраны.

Принцип работы теплового насоса

Теперь попытаемся подробно описать каждый этап работы теплового насоса. Как уже говорилось ранее — в основе работы тепловых насосов лежит термодинамический цикл. Это значит, что работа теплового насоса состоит из нескольких этапов цикла, которые повторяются снова и снова в определенной последовательности.

Читать еще:  Двигатель 604 мерседес характеристики

Рабочий цикл теплового насоса можно разделить на четыре следующие этапы:

1. Поглощение тепла из окружающей среды (кипение хладагента).

В испаритель (теплообменник) поступает хладагент, который находиться в жидком состоянии и имеет низкое давление. Как мы уже знаем при низкой температуре хладагент способен закипать и испаряться. Процесс испарения необходим для того, чтобы вещество поглотило тепло.

Согласно второму закону термодинамики тепло передается от тела с высокой температурой к телу с более низкой температурой. Именно на этом этапе работы теплового насоса хладагент с низкой температурой проходя по теплообменнику отбирает тепло от теплоносителя (рассола), который ранее поднялся из скважин, где отобрал низкопотенциальное тепло грунта (в случаи с грунтовыми тепловым насосами Грунт-Вода).

Дело в том, что температура грунта под землей в любое время года составляет +7-8°С. При использовании геотермального теплового насоса типа Грунт-Вода устанавливаются вертикальные зонды, по которым циркулирует рассол (теплоноситель). Задача теплоносителя — нагреться до максимально возмножной температуры во время циркуляции по глубинным зондам.

Когда теплоноситель отобрал тепло из грунта, он поступает в теплообменник теплового насоса (испаритель) где «встречается» с хладагентом, который имеет более низкую температуру. И согласно второму закону термодинамики происходит теплообмен: тепло от более нагретого рассола передается менее нагретому хладагенту.

Здесь очень важный момент: поглощение тепла возможно во время испарения вещества и наоборот, отдача теплоты происходит при конденсации. Во время нагрева хладагента от теплоносителя он меняет свое фазовое состояние: хладагент переходит из жидкого состояния в газообразное (происходит процесс закипания хладагента, он испаряется).

Пройдя через испаритель хладагент находиться в газообразной фазе. Это уже не жидкость, но газ, который отобрал тепло у теплоносителя (рассола).

2. Сжатие хладагента компрессором.

На следующем этапе хладагент в газообразном состоянии попадает в компрессор. Здесь компрессор сжимает фреон, который за счет резкого увеличения давления нагревается до определенной температуры.

Аналогичным образом работает и компрессор обычного бытового холодильника. Единственное существенное отличие компрессора холодильника от компрессора теплового насоса — значительно меньшая производительность.

ВИДЕО: Как работает холодильник с компрессором

3. Передача тепла в систему отопления (конденсация).

После сжатия в компрессоре хладагент, который имеет высокую температуру поступает в конденсатор. В данном случае конденсатор — это тоже теплообменник, в котором во время конденсации происходит отдача теплоты от хладагента к рабочей среде отопительного контура (например воде в системе теплых полов, или радиаторов отопления).

В конденсаторе хладагент из газовой фазы снова переходит в жидкую. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое используется для системы отопления в доме и горячего водоснабжения (ГВС).

4. Понижение давления хладагента (расширение).

Теперь жидкий хладагент нужно подготовить к повторению рабочего цикла. Для этого хладагент проходит через узкое отверстие термо-регулирующего вентиля (расширительного клапана). После «продавливания» через узкое отверстие дросселя хладагент расширяется, вследствие чего падает его температура и давление.

Этот процесс сравним с распылением аэрозоля из балончика. После распыления балончик на короткое время становиться холоднее. То есть произошло резкое падение давления аэрозоля вследствие продавливания наружу, температура соответственно тоже падает.

Теперь хладагент снова находиться под таким давлением, при котором он способен закипеть и испаряться, что необходимо нам для поглощения тепла от теплоносителя.

Задача ТРВ (термо-регулирующий вентиль) — снизить давление фреона путем расширения его на выходе из узкого отверстия. Теперь фреон снова готов закипать и поглощать тепло.

Цикл снова повторяется до тех пор, пока система отопления и ГВС не получит от теплового насоса необходимый объем тепла.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector