Круговые процессы, происходящие в тепловых машинах, позволяют эффективно преобразовывать теплоту в механическую работу. В таких циклах рабочее тело, пройдя через ряд термодинамических процессов, возвращается в начальное состояние. Благодаря этому обеспечивается непрерывная работа тепловой машины. В данной статье подробно рассмотрим сущность круговых процессов, их математическое описание и особенности применения.
Обратимые круговые процессы
Обратимым называется такой круговой процесс, который теоретически можно полностью повернуть вспять без потерь энергии. Это возможно лишь при очень медленном квазистатическом протекании процесса.
Единственным полностью обратимым циклом является цикл Карно. Он состоит из двух изотерм (процессов при постоянной температуре) и двух адиабат (процессов без теплообмена). Для него справедлива теорема Карно:
ηt = (T1 - T2) / T1
где T1, T2 - температуры нагревателя и холодильника.
КПД цикла Карно максимален для данных температур нагрева и охлаждения. Усовершенствование такого цикла возможно за счет регенерации тепла и сведения потерь к минимуму.
На этом принципе основан обобщенный цикл Карно с регенератором.
Причины необратимости реальных циклов
В отличие от идеализированного цикла Карно, реальные круговые процессы, происходящие в тепловых машинах, являются необратимыми. Это связано с неизбежным наличием диссипативных процессов, таких как трение, теплопроводность, диффузия, которые приводят к невосполнимым потерям энергии.
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Ярким примером технической реализации неидеальных циклов являются циклы двигателей внутреннего сгорания. Наиболее распространены циклы Отто в бензиновых двигателях и цикл Дизеля в дизельных двигателях. В них в качестве рабочего тела выступает газ - продукты сгорания топливовоздушной смеси.
Пути улучшения необратимых циклов
Для повышения эффективности неидеальных циклов в реальных тепловых машинах применяются различные методы. К ним относятся: оптимизация рабочих параметров, минимизация потерь тепла, применение регенерации, повышение температуры рабочего тела.
Приближение реальных циклов к циклу Карно
Как было показано выше, наибольшую эффективность имеет цикл Карно. Поэтому важной задачей является максимально возможное приближение параметров реальных циклов к соответствующим параметрам идеализированного цикла Карно.
Анализ эффективности круговых процессов
Для оценки реальной эффективности круговых процессов в тепловых машинах используется ряд показателей: термический и эксергетический КПД, потери эксергии, затраты топлива и другие технико-экономические показатели.
Методы термодинамического анализа
Для анализа эффективности круговых процессов применяется термодинамический метод. Он основан на использовании первого и второго законов термодинамики, позволяющих оценить работоспособность цикла, термический КПД, потери энергии.
Эксергетический анализ
Еще одним важным методом является эксергетический анализ. Он позволяет определить величину потерь эксергии в различных элементах установки и наметить пути снижения этих потерь.
Технико-экономическое обоснование
Наряду с термодинамическими показателями, проводится технико-экономическое обоснование целесообразности использования кругового процесса в конкретной установке с учетом капитальных и эксплуатационных затрат.
Сравнительная оценка циклов
Для выбора оптимального цикла для тепловой машины проводят сравнительный анализ КПД, мощности, срока окупаемости при использовании различных циклов в данных условиях эксплуатации.
Пути дальнейшего развития
Перспективными направлениями совершенствования круговых процессов являются: применение новых рабочих тел, использование комбинированных и каскадных циклов, внедрение систем утилизации низкопотенциальной энергии.
Новые рабочие тела
В качестве перспективных рабочих тел рассматриваются различные смеси газов, обладающие улучшенными термодинамическими характеристиками. Их применение в оптимизированных циклах позволит повысить КПД и мощность установки.
Комбинированные циклы
Одним из эффективных методов является использование комбинированных циклов, включающих в себя газотурбинную и паросиловую установки. Это дает возможность более полно утилизировать тепло рабочего тела.
Каскадные циклы
Применение каскадных циклов подразумевает последовательное использование тепла отработавшего рабочего тела для совершения полезной работы в следующем цикле при более низкой температуре.
Утилизация вторичных энергоресурсов
Большой потенциал имеют различные способы утилизации низкопотенциального тепла и вторичных энергетических ресурсов, позволяющие повысить суммарную эффективность процесса.
Оптимизация с опорой на цифровые технологии
Активно внедряются цифровые системы управления и оптимизации параметров кругового процесса в режиме реального времени с использованием big data и методов искусственного интеллекта.
Совершенствование рабочих колес и проточной части
Важным направлением является модернизация элементов проточной части тепловых машин, в частности, рабочих колес турбин и компрессоров. Применение новых профилей лопаток позволяет увеличить КПД и надежность оборудования.
Повышение рабочих параметров
Перспективы роста эффективности связаны с дальнейшим повышением рабочих параметров цикла, таких как температура и давление рабочего тела. Однако это требует применения жаропрочных и прочных материалов.
Снижение гидравлических потерь
За счет оптимизации газодинамических характеристик проточной части и улучшения качества внутренних поверхностей достигается снижение гидравлических потерь, что повышает КПД цикла.
Минимизация тепловых потерь
Применение высокоэффективной теплоизоляции и тепловых экранов позволяет минимизировать потери тепла в окружающую среду, тем самым увеличивая полезную работу цикла.
Переход на низкоэмиссионные технологии
Внедрение технологий низкоэмиссионного сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить тепловое загрязнение окружающей среды и повысить ресурс и надежность оборудования.
