Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego.

Transkrypt

1 Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego. Wojciech Głąb Techniki niskotemperaturowe Inżynieria Mechaniczno-Medyczna st. II sem. I

2 Spis treści 1. Obieg termodynamiczny Obieg lewobieżny i prawobieżny Obieg prawobieżny Obieg Lewobieżny Obieg gazowy Joule a Obieg parowy Lindego Podsumowanie Literatura Strona 2

3 1. Obieg termodynamiczny Obieg termodynamiczny jest to zespół przemian czynnika termodynamicznego następujących po sobie, w wyniku których układ powraca do stanu początkowego. Obieg odbywa jedna substancja w systemie zamkniętym czyli jej masa pozostaje taka sama. Obiegi termodynamiczne przedstawia się na wykresach P- V lub T-s(rys. 1), na których przedstawiane są jako linia zamknięta. Substancją poddawaną przemianie może być gaz doskonały lub substancje rzeczywiste takie jak gazy, para wodna czy woda. Obiegi termodynamiczne spełniają zasadnicze zadanie przy ocenie działania rzeczywistych urządzeń cieplnych. Dla każdego typu urządzeń działających w sposób ciągły lub okresowy i realizujących obieg rzeczywisty, można ustalić najkorzystniejszy odwracalny obieg porównawczy. Obieg taki jest idealizacją obiegu rzeczywistego (indykatorowego) realizowanego przez rzeczywista maszynę. Rysunek 1. Układ realizujący obieg, wykres P-v Obiegi porównawcze składające się z przemian charakterystycznych, nie uwzględniających np. strat ciśnienia, czy przyrostu entropii czynnika. Przemianami charakterystycznymi, z których zwykle złożony jest obieg porównawczy, są: przemiana izobaryczna, przemiana izotermiczna, przemiana izochoryczna i przemiana adiabatyczna. Strona 3

4 2. Obieg lewobieżny i prawobieżny Ważną cechą obiegów jest kierunek przemian zachodzących w układzie. W zależności od tego kierunku odróżnia się obiegi prawobieżne w których kierunek przemian na wykresach p-v i T-s jest zgodny z ruchem wskazówek zegara i obiegi lewobieżne w których kierunek przemian jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara. W każdym obiegu termodynamicznym można wyróżnić 4 punkty charakterystyczne(rys. 2): dwa punkty zwrotne i dwa punkty adiabatyczne. Punkty zwrotne dzielą obieg na dwie części: linię ekspansji i linię kompresji. Punkty adiabatyczne dzielą obieg na dwie linie: przemianę w której ciepło jest doprowadzane do czynnika termodynamicznego z zewnątrz i przemianę w której ciepło wypływa od czynnika obiegowego. Rysunek 2. Obieg prawowieżny i lewobieżny. 2.1 Obieg prawobieżny Jest to obieg silnika cieplnego. Praca obiegu prawobieżnego jest dodatnia i reprezentowana przez pole wewnątrz krzywej obiegu, tzn. ze system którego substancja odbywa obieg prawobieżny oddaje energię otoczenia. Strona 4

5 Rysunek 3. Obieg prawobieżny oraz układ realizujący obieg prazobieżny. Rusinek 3 przedstawia obieg prawobieżny. Ciepło doprowadzane jest do systemu z wysokotemperaturowego zasobnika energii cieplnej, pełniącego rolę źródła ciepła. Może nim być np. gorący płyn w tak dużej ilości ze odpływ ciepła Qd nie powoduje zmiany temperatury T tego płynu. Ogólnie dla zasobników energii cieplnej przyjmuje się niezmienną temperaturę. System realizujący obieg oddaje energię w sposób pracy Lob i ciepła Qw w łącznej ilości równej ciepłu pobranemu Qd. Ciepło wyprowadzone przenosi się do niskotemperaturowego zasobnika energii cieplnej o temperaturze To(odbiornik ciepła) jest nim zazwyczaj otoczenie. 2.2 Obieg Lewobieżny Obieg lewobieżny jest obiegiem pompy ciepła chłodniczej gdy chodzi o usuwanie ciepła Qd z niskotemperaturowego zasobnika energii cieplnej lub grzejnej, gdy chodzi o dostarczenie ciepła Qw do ogrzewanego pomieszczenia. Na rysunku 4 widać obieg lewobieżny w układzie P-V. W wyniku realizowania obiegu wykonywana jest praca ujemna obiegu lob reprezentowana przez pole wewnątrz krzywej obiegu. W obiegach lewobieznych energia jest doprowadzana poprzez ciepło Qd oraz pracę Lob a wyprowadzana na sposób ciepła Qw. Ciepło doprowadzone Qd przenosi się z niskotemperaturowego zasobnika energii cieplnej o To do substancji roboczej w tej części obiegu, w której ma ona temperaturę niższą od To (co umożliwi samorzutne przenoszenie się ciepła). Zaś ciepło wyprowadzone odpływa Strona 5

6 samorzutnie z substancji roboczej w tej części obiegu, w której ma ona temperaturę wyższą od temperatury odbiornika ciepła. Rysunek 4. Obieg lewobieżny oraz układ realizujący obieg lewobieżny. Obiegi lewobieżne pozwalają na przenoszenie ciepła Qd kosztem prazy Lob z ciał o temperaturze niskiej To to do ciał o temperaturze wyższej T, a wiec w kierunku przeciwnym do naturalnego przenoszenia się ciepła. 3. Obieg gazowy Joule a Podstawowym obiegiem lewobieżnym dla gazów jest obieg porównawczy chłodziarki gazowej, czyli obieg Joule a(rys.5). Składa się on z dwóch adiabat i dwóch izobar. W trakcie przemiany izobarycznej niskociśnieniowej doprowadzane jest, do systemu realizującego obieg, ciepło przy niskiej temperaturze (z ciał w chłodni), a w przemianie P3=P4=Konstans o cienieniu wysokim ciepło jest wyprowadzone z systemu do otoczenia, przy czym gaz oddając to ciepło obniża swą temperaturę od T3(najwyższej w obiegu) do T4 równej temp otoczenia. Strona 6

7 Rysunek 5. Lewobieżny obieg gazowy Joule'a na wykresie P-v W systemie urządzeń realizujących obieg są 2 maszyny i 2 wymienniki ciepła(rys. 6). Praca potrzebna do napędu sprężarki Lt2-3 jest mniejsza od sprowadzonej do systemu pracy Lob o pracę silnika Lt4-1 zwanego rozprężarką. Rysunek 6. Układ urządzeń realizujących lewobieżny obieg gazowy Joule'a Urządzenia wykorzystujące lewobieżny obieg Joule a stosuje się w różnego rodzaju klimatyzatorach. Strona 7

8 4. Obieg parowy Lindego Realizacja obiegów termodynamicznych za pomocą par nasyconych ma w porównaniu z użyciem gazów istotne zalety takie jak : izotermiczność przemiany izobarycznego doprowadzania czy odprowadzania ciepła przy wrzeniu cieczy lub skraplaniu pary nasyconej, wraz z izentropową ekspansją małe prace sprężania cieczy lub rozprężania jej duża intensywność przenoszenia ciepła Obieg Lindego jest podstawowym obiegiem porównawczym dla parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych. W skład obiegu Lindego wchodzą następujące przemiany(rys. 7): izobaryczno-izotermiczne parowanie pary mokrej: 4-1 izentropowe sprężanie pary suchej: 1-2 izobaryczne oziębianie pary przegrzanej do temperatury nasycenia i następnie skraplanie tej pary: 2-3 zjawisko dławienia cieczy nasyconej od ciśnienia skraplania P2 do ciśnienia parowania P1 Rysunek 7. Obieg parowy Lindego na wykresach P-v i T-s Strona 8

9 Lewobieżny obieg Lindego ma kilka odmian : Obieg z dochłodzeniem skroplin Obieg z regeneracyjnym dochłodzeniem skroplin Obieg z parametrami nadkrytycznymi Zespół urządzeń realizujących obieg chłodniczy widnieje na rysunku 8. Tworzą go dwa wymienniki ciepła : parownik i skraplacz, jedna maszyna w postaci sprężarki oraz zawór dławiący. Rysunek 8. Zespół urządzeń realizujących obieg parowy Lindego. Zdecydowana większość obecnych chłodziarek domowych i przemysłowych to urządzenia elektryczne, najczęściej sprężarkowe, realizujące lewobieżny obieg Lindego. Strona 9

10 5. Podsumowanie Oba przedstawione obiegi to porównawcze obiegi lewobieżne stosowane w realizacji układów chłodzących lub pompy grzejnej. Zestawienie ich cech przedstawia tabela 1. Obieg Joule a Obieg gazowy Gaz w rzeczywistości: powietrze Obieg Lindego Obieg parowy Para nasycona, Czynnik zmienia stany skupienia W rzeczywistości : freon, amoniak, dwutlenek węgla Lob=Lspr-Lrozp Sprężarka, rozprężarka, dwa wymienniki ciepła Lob=Lspr 2 wymienniki ciepla: parownik i skraplacz, Sprężarka, zawór dławiący 2 adiabaty i 2 izobary izobaryczno-izotermiczne parowanie pary mokrej, izentropowe sprężanie pary suchej, izobaryczne oziębianie pary przegrzanej do temperatury nasycenia i następnie skraplanie tej pary, dławienie cieczy nasyconej Zastosowanie: Układy klimatyzacji Zastosowanie: Chłodziarki, lodówki Tabelka 1. Porównanie obiegów. Strona 10

11 6. Literatura Wiesław Pudlik Termodynamika, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 1998 (wyd. II) Sadłowski-Sagęła A. Materiały pomocnicze do ćwiczeń z przedmiotu: Termodynamika techniczna, Uniwersytet Rolniczy Lidia Kalinkowska Termodynamika, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne Strona 11