W układzie zamkniętym maszyn cieplnych takich jak silniki, turbiny, pompy, sprężarki czy chłodziarki pracuje czynnik roboczy. Czynnik ten podczas pracy maszyn ulega przemianom termodynamicznym. W celu badania tych przemian konstruuje się teoretyczne obiegi termodynamiczne zwane obiegami porównawczymi, w odróżnieniu od obiegów indykatorowych które są rzeczywistymi wykresami przemian termodynamicznych czynnika.

Rozróżnia się obiegi prawo bieżne, których kierunek przemian na wykresie ma kierunek zgodny ze wskazówkami zegara, oraz obiegi lewo bieżne z przeciwnym kierunkiem przebiegu przemian.

Obieg prawo bieżny jest obiegiem charakterystycznym dla maszyn, które zamieniają dostarczone ciepło na pracę. Mamy tu do czynienia z silnikami cieplnymi, które wszyscy znamy, silniki o zapłonie iskrowym, silniki wysokoprężne, lotnicze silniki turbinowe. Obieg lewo bieżny jest właściwy dla chłodziarek i pomp ciepła. Urządzenia te przenoszą ciepło z obszaru chłodniejszego do obszaru cieplejszego.

Cykle obiegi termodynamiczne

Termodynamiczne obiegi silników cieplnych:

a) silnik z zapłonem iskrowym,

b) oraz 

c) silniki z zapłonem samoczynnym,

d) turbina gazowa.

Q1 oznacza miejsce dostarczenia ciepła,  Q2 oznacza miejsce oddania ciepła

Rozpatrując układy termodynamiczne zakłada się często, że są to układy izolowane, które nie wymieniają ciepła z otoczeniem w sposób niekontrolowany. Chociaż podczas przebiegu zjawisk termodynamicznych w świecie rzeczywistym wymiana ciepła z otoczeniem zachodzi prawie zawsze, jednak aby zbudować pewien model matematyczny zjawisk fizycznych nie da się uniknąć pewnych uproszczeń.

Pierwsza Zasada Termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej ciała DU, jest równa sumie dostarczonego ciepła T i pracy wykonanej nad ciałem W.

ΔU = T + W

Wykresy obiegów termodynamicznych są krzywymi zamkniętymi więc energia wewnętrzna czynnika roboczego nie zmienia się po przejściu pełnego obiegu. Wraca do wartości początkowej. Jej zmiana jest równa zero

ΔU = 0

0  = T + W

z czego wynika, że wartość pracy wykonanej przez czynnik termodynamiczny w obiegu jest równa ciepłu.

– W = T

Nie jest możliwe zbudowanie perpetuum mobile – aby uzyskać pracę musimy dostarczyć ciepło (paliwo). Znak minus przed pracą oznacza tylko tyle, że np. w silniku tłokowym czynnik wykonuje prace rozprężając się, natomiast w technice za pracę dodatnią przyjmuje się sprężanie czynnika przez siły zewnętrzne. Wskazane we wzorze ciepło jest różnicą pomiędzy ciepłem dostarczonym a oddanym podczas jednego cyklu obiegu.

Poniżej znajdują się wykresy obiegów porównawczego i indykatorowego silnika czterosuwowego z zapłonem iskrowym.

 

Obieg Otto

                                         

Obieg indykatorowy

           

                 Obieg Otto  (porównawczy)                                       Obieg indykatorowy

Podczas pracy tłokowego silnika spalinowego ciepło dostarczane jest w chwili zapłonu paliwa. Spalanie paliwa powoduje znaczny wzrost ciśnienia w cylindrze. Rozprężające się gazy przesuwają tłok, ruch ten poprzez korbowód i wał korbowy zostaje zamieniony na ruch obrotowy. Dalej następuje powrotny ruch tłoka i wypchnięcie gazów z cylindra. Na wykresie jest to faza, w której następuje oddanie części ciepła do źródła dolnego. Następny ruch tłoka zasysa mieszankę paliwową do cylindra, spręża ją i cykl rozpoczyna się od nowa. W obiegu porównawczym suwy wydechu i ssania zawierają się w fazie oddawania ciepła.

Praca wykonana przez silnik jest równa różnicy pomiędzy ciepłem doprowadzonym i odprowadzonym. Sprawnością cieplną obiegu prawo bieżnego jest stosunek ilości ciepła zamienionego na pracę do całkowitej ilości ciepła dostarczonego do układu.

Wykres rzeczywistych zmian ciśnienia w zależności od położenia tłoka, zwany wykresem indykatorowym, różni się od wykresu obiegu porównawczego. Różnice te są wynikiem różnych czynników, między innymi niemożnością całkowitego usunięcia spalin, dławieniem podczas wydechu i ssania na zaworach, odprowadzania ciepła przez ścianki cylindra, oraz innych. Pomimo tych różnic teoretyczne obiegi porównawcze odgrywają istotną rolę dla badania i doskonalenia silników.

Odwrotnością omówionego powyżej obiegu prawo bieżnego, jest obieg lewo bieżny. Podczas gdy w obiegu prawo bieżnym ciepło zamieniane było częściowo na pracę a częściowo tracone, to w obiegu lewo bieżnym mamy do czynienia z przenoszeniem ciepła z obszaru chłodniejszego do obszaru cieplejszego. Aby ten kierunek przenoszenia ciepła był możliwy do obiegu dostarczane jest praca – podnoszona jest energia czynnika roboczego.

Obiegi lewo bieżne są obiegami chłodziarek i pomp ciepła. Obydwa urządzenia pracują na tej samej zasadzie. Istotą pracy chłodziarki jest odebranie ciepła od ciała zwanego źródłem dolnym w celu jego oziębienia i oddanie ciepła poza ciało. Celem pracy pompy ciepła jest pobranie ciepła ze źródła dolnego i przekazanie tego ciepła do źródła górnego w celu jego ogrzania.

W obiegu lewo bieżnym ciepło przekazane do źródła górnego jest równe ciepłu pobranemu ze źródła dolnego oraz pracy przekazanej do obiegu.

Pompa ciepła diagram TH

Pompa ciepła diagram TH

Czynnik roboczy w układzie pompy ciepła, mający niską temperaturę wrzenia, pobiera ciepło ze źródła dolnego i zamienia się w parę (odcinek 1- 2). Para zasysana jest przez sprężarkę. Dzięki dostarczonej przez sprężarkę energii podnosi się ciśnienie oraz jeszcze bardziej wzrasta temperatura  czynnika (odcinek 2- 3). Dalej gorące pary czynnika dostają się do skraplacza gdzie oddają ciepło jednocześnie skraplając się. Odcinek 3 – 4 pokazuje jak spada temperatura czynnika roboczego. Następnie przeciskając się przez długą kapilarę czynnik rozpręża się (odcinek 4 – 1). Niskie ciśnienie czynnika roboczego powoduje, że obniża się jego temperatura parowania. Przechodząc do parownika czynnik pobiera ciepło z dolnego źródła i cykl zostaje zamknięty.

Określając efektywność urządzeń pracujących w obiegu lewo bieżnym stosuje się Współczynnik Efektywności Energetycznej (COP –  ang. Coefficient Of Performance). COP jest to stosunek otrzymanej ilości ciepła w skraplaczu do energii zużytej przez sprężarkę pompy ciepła. Współczynnik ten jest tym większy, im mniejsza jest różnica temperatury między źródłem górnym (np. wodą w instalacji grzewczej) a temperaturą pozyskaną ze źródła dolnego.

W każdym obiegu, prawo bieżnym czy lewo bieżnym możemy wyróżnić dwie fazy: sprężanie oraz ekspansję (rozprężanie) czynnika roboczego. W każdym obiegu zachodzi też zjawisko doprowadzenia ciepła do czynnika roboczego oraz zjawisko oddawania ciepła przez czynnik.

Co ciekawe zachowując reżim nierozpraszania ciepła możemy w sprzyjających warunkach zamienić całą pracę na ciepło. Natomiast ciepła nie uda się zamienić na pracę w całości. Na podstawie wielu doświadczeń i rozważań badaczy tego zjawiska okazuje się, że przy przemianie ciepła na pracę część ciepła zawsze będzie utracona. Właściwie to ciepło musi być oddane aby można było zamknąć obieg termodynamiczny i wykonać pracę. Dlatego w obiegach prawo bieżnych zawsze występuje faza oddawania ciepła. Nie ma możliwości zbudować silnika, który pobiera ciepło i w całości przetwarza je na pracę. Zjawisko to wynika z drugiej zasady termodynamiki albo druga zasada z tego zjawiska.

j

Nasza strona internetowa używa plików cookies (tzw. ciasteczka) w celach statystycznych, reklamowych oraz funkcjonalnych. Dzięki nim możemy indywidualnie dostosować stronę do twoich potrzeb. Każdy może zaakceptować pliki cookies albo ma możliwość wyłączenia ich w przeglądarce, dzięki czemu nie będą zbierane żadne informacje. Dowiedz się jak wyłączyć...

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close