Рабочее тело теплового двигателя служит для: §8. Тепловые машины — ЗФТШ, МФТИ

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Тепловые машины» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.

Публикация обновлена: 09.03.2023

6.1 Тепловой двигатель. Введение в инженерную термодинамику

Перейти к содержанию

6. Энтропия и второй закон термодинамики

Тепловая машина представляет собой непрерывно работающее устройство, которое производит работу путем передачи тепла от (высокотемпературного тела) к (низкотемпературному телу) с помощью рабочего тела. В цикле теплового двигателя рабочее тело может оставаться однофазным или претерпевать фазовые изменения.

Паровой двигатель — тип теплового двигателя, обычно используемый на паровых электростанциях. Он работает по циклам Ренкина и использует воду в качестве рабочей жидкости. Мы будем использовать паровой двигатель, чтобы проиллюстрировать, как тепло преобразуется в работу в тепловых двигателях. Типичная паровая машина состоит из четырех основных компонентов: котла, турбины, конденсатора и насоса, как показано на рис. 6.1.1. 9Диаграмма 0013 T-s на рис. 6.1.2 иллюстрирует четыре процесса в цикле Ренкина:

1. Вода при низком давлении и низкой температуре (состояние 1) подается насосом в котел. Насос потребляет мощность, [latex]\dot{W}_{pump}[/latex], чтобы поддерживать непрерывную подачу воды в котел при увеличении давления воды, поступающей в котел (состояние 2). Процесс 1-2 можно считать адиабатическим.
2. В котле жидкая вода поглощает тепло [латекс]\dot{Q}_{H}[/латекс] от внешнего источника тепла и превращается в высокотемпературный пар высокого давления (состояние 3). Падение давления в котле обычно незначительно; поэтому процесс 2—3 можно считать изобарным.
3. Затем высокотемпературный пар высокого давления расширяется в турбине, заставляя турбину непрерывно вращаться и таким образом вырабатывая механическую энергию [латекс]\dot{W}_{турбина}[/латекс]. В процессе расширения температура и давление пара уменьшаются. Следовательно, пар, выходящий из турбины (состояние 4), становится низкотемпературной двухфазной смесью низкого давления. Процесс 3-4 можно считать адиабатическим.
4. Пар, выходящий из турбины, затем поступает в конденсатор и конденсируется в насыщенную или сжатую жидкость (состояние 1). Во время этого процесса из пара отводится тепло [латекс]\dot{Q}_{L}[/латекс]. Падение давления в конденсаторе обычно незначительно; следовательно, процесс 4-1 можно считать изобарным.

На рис. 6.1.3 представлена ​​упрощенная схема анализа сохранения энергии в тепловых двигателях. Применяя первый закон термодинамики к циклу, мы можем написать

[латекс]\dot{Q}_{H} — \dot{Q}_{L} = \dot{W}_{турбина} — \dot{W}_{насос} = \dot{W}_ {сеть, выход}  [/латекс]

Очевидно, что тепло, удаляемое конденсатором, [латекс]\точка{Q}_L[/латекс], не может быть преобразовано в полезную работу. это отходы d для того, чтобы завершить цикл. Другими словами, тепловая машина не может преобразовать все тепло, подводимое источником тепла (например, котлом), в полезную работу даже в идеальных условиях. Тепловой КПД — это безразмерный параметр, используемый для измерения производительности тепловой машины.

[латекс]\eta_{th}=\displaystyle\frac{требуемый\выход}{требуемый\вход}=\frac{{\dot{W}}_{net,\out}}{{\dot{Q} }_H}=1-\frac{{\dot{Q}}_L}{{\dot{Q}}_H}[/latex]

где

[латекс]\dot{Q}_H[/латекс]: теплота, поглощаемая источником тепла, в кВт

[latex]\dot{Q}_L[/latex]: тепло, отводимое радиатору, кВт

[latex]\dot{W}_{net,\ out}[/latex]: полезная мощность тепловой машины, кВт

[латекс]\eta_{th}[/латекс]: тепловой КПД тепловой машины, безразмерный

Рисунок 6. 1.3 Схема тепловой машины

На рисунках 6.1.e1 и 6.1.e2 показан цикл Ренкина, состоящий из двухступенчатой ​​паровой машины и подогревателя питательной воды. Паровая машина обведена красными контурами на рис. 6.1.e1. Две ступени турбины обозначены как HE1 и HE2 соответственно. На этапе 1 пар поглощает тепло [латекс]\dot{Q}_H[/латекс] из котла и вырабатывает энергию [латекс]\точка{W}_{1}[/латекс]. Часть выхлопного пара со ступени 1 затем поступает на ступень 2, дополнительно вырабатывая энергию [латекс]\dot{W}_{2}[/латекс]. Оставшийся отработавший пар 1-й ступени используется для предварительного подогрева питательной воды. Если тепловой КПД двух ступеней турбины равен [латекс]\эта_{th,1}[/латекс] и [латекс]\эта_{th,2}[/латекс], каков общий тепловой КПД цикла как функция [латекс]\эта_{й,1}[/латекс] и [латекс]\эта_{й,2}[/латекс]? Предположим 90% выхлопного пара, выходящего из ступени 1, поступает во 2-ю ступень и вырабатывает энергию, [латекс]\dot{W}_{2}[/латекс].

Рисунок 6. 1.e1 Двухступенчатая паровая турбина с подогревателем питательной воды

Тепловой КПД4 первую и вторую ступени паровой турбины можно записать как

[латекс]\eta_{th,1} = \dfrac{\dot{W}_{1}}{\dot{Q}_{H}}[ /латекс]           [латекс]\eta_{th,2} = \dfrac{\dot{W}_{2}}{\dot{Q}_{M}}[/latex]

Желаемая мощность цикла — это общая мощность, вырабатываемая турбиной, а требуемая энергия поступает от котла; следовательно,

[латекс]\eta_{th} = \dfrac{\dot{W}_{tot}}{\dot{Q}_{H}}=\dfrac{\dot{W}_{1} + \dot{W}_{2}}{\dot{Q}_{H}}[/latex]

Примените первый закон термодинамики к первой стадии, HE1. Обратите внимание, что 90% отработанного пара из 1-й ступени поступает во 2-ю стадию; следовательно,

[латекс]\dot{Q}_{M} + \dot{Q}_{Нагреватель} = \dot{Q}_{H} — \dot{W}_{1}[/latex]

и

[латекс]\dot{Q}_{M} = 0,9 (\dot{Q}_{H} — \dot{W}_{1})[/latex]

Объедините приведенные выше уравнения и переставить

[латекс]\begin{align*} \because\eta_{th} &= \dfrac{\dot{W}_{1}}{\dot{Q}_{H}} + \dfrac {\ dot {W} _ {2}} {\ dot {Q} _ {H}} \\& = \ eta_ {th, 1} + \ dfrac {\ eta_ {th, 2} \ dot {Q} _ {M}}{\dot{Q}_{H}} \\&=\eta_{th,1} + \dfrac{\eta_{th,2} \times 0,9(\dot{Q}_{H} -\dot{W}_{1})}{\dot{Q}_{H}} \end{align*}[/latex]

[латекс]\поэтому \eta_{th} = \eta_{th ,1} + 0,9\eta_{th,2}(1-\eta_{th,1})[/latex]

Media Attributions

• wikimedia.org/wiki/File:Rankine_cycle_layout.png»> Цикл Ренкина © Эндрю Эйнсворт находится под лицензией CC BY-SA (Attribution ShareAlike) ступенчатая паровая турбина с подогревателем питательной воды © Milton Beychok лицензирована по лицензии CC BY-SA (Attribution ShareAlike)

Лицензия

Введение в инженерную термодинамику Клэр Ю Ян находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, если не указано иное.

Поделиться этой книгой

Поделиться в Твиттере

Рабочие жидкости | Энциклопедия MDPI

Тепловые двигатели, холодильные циклы и тепловые насосы обычно включают жидкость, к которой и от которой передается тепло при прохождении термодинамического цикла. Эта жидкость называется рабочей жидкостью. В технологиях охлаждения и тепловых насосов рабочие жидкости часто называют хладагентами. В большинстве термодинамических циклов используется скрытая теплота (преимущества фазового перехода) рабочей жидкости. В остальных циклах рабочее тело остается в газовой фазе при прохождении всех процессов цикла. Когда речь идет о тепловых двигателях, рабочее тело обычно также подвергается процессу сгорания, например, в двигателях внутреннего сгорания или газовых турбинах. Существуют также технологии в тепловых насосах и холодильных установках, где рабочая жидкость не меняет фазу, например, обратный цикл Брайтона или цикл Стирлинга. В этой статье обобщаются основные критерии выбора рабочих жидкостей для термодинамического цикла, таких как тепловые двигатели, включая рекуперацию низкопотенциального тепла с использованием органического цикла Ренкина (ORC) для геотермальной энергии, отработанного тепла, тепловой солнечной энергии или биомассы, а также тепловые насосы и холодильные циклы. В статье рассматривается влияние рабочих жидкостей на технологические приложения, где рабочая жидкость претерпевает фазовый переход и не остается в исходной (преимущественно газообразной) фазе на протяжении всех процессов термодинамического цикла. Поиск оптимального рабочего тела для заданной цели, что необходимо для достижения более высокой энергоэффективности в системах преобразования энергии, оказывает большое влияние на технологию, а именно не только влияет на рабочие параметры цикла, но и изменяет компоновку и модифицирует конструкция оборудования. Критериями выбора рабочих жидкостей, помимо экономических и экологических факторов, обычно являются термодинамические и физические свойства, но чаще всего все эти критерии используются вместе.

1. Критерии выбора рабочих жидкостей

Известно, что выбор рабочих жидкостей оказывает значительное влияние на термодинамические и экономические показатели цикла. Подходящая жидкость должна обладать благоприятными физическими, химическими, экологическими, безопасными и экономическими свойствами, такими как низкий удельный объем (высокая плотность), вязкость, токсичность, воспламеняемость, потенциал разрушения озонового слоя (ODP), потенциал глобального потепления (GWP) и стоимость, а также как благоприятные технологические характеристики, такие как высокая тепловая и эксергетическая эффективность. Эти требования распространяются как на чистые (однокомпонентные), так и на смешанные (многокомпонентные) рабочие жидкости. Существующие исследования в основном сосредоточены на выборе чистых рабочих жидкостей, и в настоящее время доступно большое количество опубликованных отчетов. Важным ограничением чистых рабочих тел является их постоянный температурный профиль при фазовом переходе. Смеси рабочих жидкостей более привлекательны, чем чистые жидкости, потому что их профиль температуры испарения является переменным, поэтому лучше соответствует профилю источника тепла, в отличие от плоского (постоянного) профиля испарения чистых жидкостей. Это обеспечивает приблизительно стабильную разницу температур во время испарения в теплообменнике, называемую температурным скольжением, что значительно снижает эксергетические потери. Несмотря на их полезность, недавних публикаций, посвященных выбору смешанных жидкостей, значительно меньше. ^[1]
Многие авторы, например O. Badr et al. ^[2] предложили следующие термодинамические и физические критерии, которым должна соответствовать рабочая жидкость для тепловых двигателей, таких как циклы Ренкина. Существуют некоторые различия в критериях, касающихся рабочих жидкостей, используемых в тепловых двигателях и холодильных циклах или тепловых насосах, которые соответственно перечислены ниже:

1.1. Общие критерии как для тепловых двигателей, так и для холодильных циклов

1. Давление насыщения при максимальной температуре цикла не должно быть чрезмерным. Очень высокое давление приводит к проблемам с механическими нагрузками, и поэтому могут потребоваться излишне дорогие компоненты.
2. Давление насыщения при минимальной температуре цикла (т. е. давление конденсации) не должно быть настолько низким, чтобы возникали проблемы с герметизацией от проникновения атмосферного воздуха в систему.
3. Тройная точка должна находиться ниже ожидаемой минимальной температуры окружающей среды. Это гарантирует, что жидкость не затвердеет ни в какой момент цикла, ни при работе вне системы.
4. Рабочая жидкость должна обладать низким значением вязкости жидкости, высокой скрытой теплотой парообразования, высокой теплопроводностью жидкости и хорошей смачивающей способностью. Это обеспечивает низкий перепад давления рабочей жидкости при прохождении через теплообменники и вспомогательные трубопроводы и высокую скорость теплопередачи в теплообменниках.
5. Рабочая жидкость должна иметь низкий удельный объем пара и жидкости. Эти свойства влияют на скорость теплообмена в теплообменниках. Удельный объем пара напрямую зависит от размера и стоимости компонентов цикла. Кроме того, высокий удельный объем пара приводит к большим объемным расходам, требующим множества выпускных патрубков детандера тепловых двигателей или компрессора в холодильных циклах, что приводит к значительным потерям давления. Удельный объем жидкости при давлении в конденсаторе должен быть как можно меньше, чтобы свести к минимуму требуемую работу насоса питательной воды.
6. Некоррозионная стойкость и совместимость с обычными материалами системы являются важными критериями выбора.
7. Жидкость должна быть химически стабильной во всем используемом диапазоне температур и давлений. Важнейшим критерием является стойкость рабочей жидкости к термическому разложению в присутствии смазок и материалов контейнеров. Помимо необходимости замены рабочей жидкости, химическое разложение жидкости может привести к образованию неконденсирующихся газов, снижающих скорость теплопередачи в теплообменниках, а также соединений, оказывающих коррозионное воздействие на материалы системы.
8. Нетоксичность, негорючесть, невзрывоопасность, нерадиоактивность и текущая промышленная приемлемость также являются желательными свойствами.
9. Жидкость должна соответствовать критериям требований по защите окружающей среды, таким как низкий потенциал разрушения озонового слоя (ODP) и потенциал глобального потепления (GWP).
10. Жидкость должна обладать хорошими смазывающими свойствами, чтобы уменьшить трение между поверхностями во взаимном контакте, что снижает выделение тепла при движении поверхностей и, в конечном итоге, увеличивает производительность цикла.
11. Вещество должно быть недорогим и доступным в больших количествах.
12. Многолетний (эксплуатационный) опыт работы с рабочей жидкостью и возможной рециркуляцией жидкости также является преимуществом.

1.2. Специальные критерии для тепловых двигателей (например, цикл Ренкина)

1. Критическая температура жидкости должна быть значительно выше самой высокой температуры, существующей в предлагаемом цикле. Испарение рабочего тела — и, следовательно, значительный подвод тепла — может происходить при максимальной температуре цикла. Это приводит к относительно высокой эффективности цикла.
2. Наклон d s /d T линии насыщенных паров на диаграмме T – s (см. главу Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих тел) должен быть близок к нулю при приложенной степени сжатия расширитель. Это предотвращает значительное образование влаги (капель жидкости) или чрезмерный перегрев, возникающий во время расширения. Это также гарантирует, что весь отвод тепла в конденсаторе происходит при минимальной температуре цикла, что повышает тепловой КПД.
3. Должны иметь место низкое значение удельной теплоемкости жидкости или, наоборот, низкое отношение числа атомов на молекулу к молекулярной массе и высокое отношение скрытой теплоты парообразования к удельной теплоемкости жидкости. Это снижает количество теплоты, необходимое для повышения температуры недогретой жидкости рабочего тела до температуры насыщения, соответствующей давлению в испарителе цикла Ренкина. Таким образом, большая часть тепла добавляется при максимальной температуре цикла, и цикл Ренкина может более близко приблизиться к циклу Карно.

1.3. Специальные критерии для холодильных циклов или тепловых насосов

1. Наклон d s /d T линии насыщенного пара на диаграмме T – s (см. главу Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей) должен быть близок к нулю, но никогда не должен быть положительным при перепаде давления в компрессоре. Это предотвращает значительное образование влаги (жидких капель) или чрезмерный перегрев, возникающий во время сжатия. Компрессоры очень чувствительны к каплям жидкости.
2. Давление насыщения при температуре испарения должно быть не ниже атмосферного давления. В основном это относится к компрессорам открытого типа.
3. Давление насыщения при температуре конденсации не должно быть высоким.
4. Соотношение давления конденсации и давления испарения должно быть низким.

2. Классификация чистых (однокомпонентных) рабочих жидкостей

2.1. Традиционная классификация

Традиционная классификация чистых рабочих жидкостей. 1→2 показаны изоэнтропические расширения из состояний насыщенного пара. https://handwiki.org/wiki/index.php?curid=2059201

Традиционная и наиболее распространенная в настоящее время классификация чистых рабочих жидкостей впервые была использована H. Tabor et al. ^[3] и O. Badr et al. ^[2] 60-х годов. Эта трехклассовая система классификации разделяет чистые рабочие жидкости на три категории. Основой классификации является форма кривой насыщения пара жидкости в температурно-энтропийной плоскости. Если наклон кривой насыщения пара во всех состояниях отрицательный (d s /d T <0), это означает, что с уменьшением температуры насыщения значение энтропии увеличивается, жидкость называется влажной. Если наклон кривой насыщения пара жидкости в основном положительный (несмотря на короткий отрицательный наклон несколько ниже критической точки), это означает, что с уменьшением температуры насыщения уменьшается и значение энтропии (d T /d s >0), жидкость сухая. Третья категория называется изэнтропической, что означает постоянную энтропию и относится к тем жидкостям, которые имеют вертикальную кривую насыщения пара (несмотря на короткий отрицательный наклон несколько ниже критической точки) на диаграмме температура-энтропия. Согласно математическому подходу это означает (отрицательный) бесконечный наклон (d s /d T =0). Термины «влажный», «сухой» и «изоэнтропический» относятся к качеству пара после того, как рабочая жидкость подвергается процессу изоэнтропического (обратимого адиабатического) расширения из состояния насыщенного пара. В процессе изоэнтропического расширения рабочая жидкость всегда заканчивается в двухфазной (также называемой влажной) зоне, если это жидкость влажного типа. Если жидкость сухого типа, то изоэнтропическое расширение обязательно заканчивается в зоне перегретого (также называемого сухим) пара. Если рабочее тело изэнтропического типа, то после процесса изоэнтропического расширения жидкость остается в состоянии насыщенного пара. Качество пара является ключевым фактором при выборе паровой турбины или детандера для тепловых двигателей. См. рисунок для лучшего понимания.

2.2. Новая классификация

Новая классификация чистых рабочих жидкостей. https://handwiki.org/wiki/index.php?curid=1999265. ^[4]

Традиционная классификация имеет несколько теоретических и практических недостатков. Одним из наиболее важных является тот факт, что идеально изоэнтропической жидкости не существует. ^{[5] [6]} Изэнтропические жидкости имеют два экстремума (d s /d T =0) на кривой насыщения пара. На практике есть некоторые жидкости, которые очень близки к этому поведению или, по крайней мере, в определенном диапазоне температур, например, трихлорфторметан (CCl ₃ ф.). Другая проблема заключается в степени того, насколько сухой или изоэнтропической будет вести себя жидкость, что имеет большое практическое значение при разработке, например, схемы органического цикла Ренкина и выборе подходящего расширителя. Новый вид классификации был предложен G. Györke et al. ^[4] для решения проблем и недостатков традиционной трехклассовой системы классификации. Новая классификация также основана на форме кривой насыщения паров жидкости на диаграмме температура-энтропия аналогично традиционной. В классификации используется метод на основе характеристических точек для дифференциации жидкостей. Метод определяет три первичные и две вторичные характеристические точки. Относительное расположение этих точек на кривой температурно-энтропийного насыщения определяет категории. Каждая чистая жидкость имеет первичные характеристические точки A, C и Z:

• Первичные точки A и Z представляют собой точки с самой низкой температурой на кривой насыщения жидкости и насыщения пара соответственно. Эта температура относится к температуре плавления, которая практически равна тройной точке жидкости. Выбор A и Z визуально относится к первой и последней точкам кривой насыщения.
• Первичная точка C относится к критической точке, которая является уже четко определенным термодинамическим свойством жидкостей.

Две второстепенные характеристические точки, а именно M и N, определяются как локальные экстремумы энтропии на кривой насыщения пара, точнее, в тех точках, где при понижении температуры насыщения энтропия остается постоянной: d s /d Т =0. Мы можем легко понять, что, рассматривая традиционную классификацию, жидкости влажного типа имеют только первичные точки (A, C и Z), жидкости сухого типа имеют первичные точки и ровно одну вторичную точку (M), а переопределенные жидкости изоэнтропического типа имеют как первичные, так и вторичные точки. точки (M и N). См. рисунок для лучшего понимания.

Порядок возрастания значений энтропии характерных точек дает полезный инструмент для определения категорий. Математически возможное количество порядков равно 3! (если нет второстепенных баллов), 4! (если существует только второстепенная точка M) и 5! (если обе второстепенные точки существуют), что составляет 150. Существуют некоторые физические ограничения, включая существование вторичных точек, уменьшающих количество возможных категорий до 8. Категории должны быть названы в порядке возрастания энтропии их характеристики. точки. А именно, возможные 8 категорий: ACZ, ACZM, AZCM, ANZCM, ANCZM, ANCMZ, ACNZM и ACNMZ. Категории (также называемые последовательностями) могут быть вписаны в традиционную трехклассовую классификацию, что делает две системы классификации совместимыми. Рабочие жидкости, которые можно было бы отнести к категориям ACZM или ACNZM, не обнаружены. Теоретические исследования ^{[5] [6]} подтвердили, что эти две категории могут даже не существовать.