4.4. Круговые термодинамические процессы (циклы)

Рассмотрим произвольный термодинамический процесс расширения газа 1–2–3 в системе координат Pv (рис. 13).

Рис. 13. Прямой и обратный термодинамические циклы.

В точке 3 в результате расширения газа его давление и температура стали равны давлению и температуре окружающей среды. Площадь под кривой процесса 12367 равна работе расширения. Для возобновления работы данного рабочего тела необходимо возвратить его в первоначальное состояние из точки 3 в точку 1. Это можно осуществить тремя различными путями:

1) по пути 3–2–1, при этом работа расширения будет равна работе сжатия, а суммарная работа цикла равна нулю;

2) по пути 3–4–1, при этом работа сжатия будет больше работы расширения на пл. 12341, а работа цикла будет отрицательной;

3) по пути 3–5–1, при этом работа расширения будет больше работы сжатия на пл. 12351, а суммарная работа цикла будет положительной.

Совокупность последовательно происходящих термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, называется круговым процессом, или циклом.

Циклы бывают прямые и обратные. Цикл, в результате которого получается положительная работа, называется прямым циклом. По прямым циклам работают все тепловые двигатели. Цикл, для осуществления которого необходимо затрачивать работу, называется обратным циклом. По обратным циклам работают холодильные машины.

В диаграммах Pv и Ts прямые циклы осуществляются по часовой стрелке, обратные – против часовой стрелки.

Рассмотрим произвольный прямой термодинамический цикл 1 кг идеального газа (рис. 14).

Рис. 14. Прямой термодинамический цикл.

Цикл 12341 осуществляется по часовой стрелке, следовательно он является прямым. В процессе расширения 1–2–3 за счет подводимой теплоты q₁ и снижения внутренней энергии рабочее тело совершает работу расширения, численно равную площади под линией процесса 12356. В процессе сжатия 3–4–1 отводится теплота q₂ и повышается внутренняя энергия рабочего тела за счет затраченной работы сжатия, численно равной площади 14356. В результате осуществления прямого цикла получается положительная работа, равная разности между работой расширения и сжатия, и графически изображаемая площадью 12341. Полезно используемое количество теплоты q может быть найдено как разность между подведенной и отведенной теплотой:

. (4.18)

Изменение внутренней энергии в цикле Δu = 0, так как рабочее тело возвращается в первоначальное состояние. В соответствии с первым законом термодинамики, подставив Δu в выражение (4.1), получим

, (4.19)

т.е. вся полезно используемая в цикле теплота преобразуется в работу.

Эффективность прямого термодинамического цикла (цикла ДВС) оценивается термическим к.п.д. – η_t, определяемым из выражения

,  . (4.20)

Рассмотрим произвольный обратный термодинамический цикл 1 кг идеального газа (рис. 15).

Рис. 15. Обратный термодинамический цикл.

Цикл 12341 осуществляется против часовой стрелки, следовательно, он является обратным. Направление теплоты q₁ и q₂ в обратном цикле по сравнению с прямым изменяется на противоположное. В процессе расширения 1–2–3 подводится теплота q₂ низкого потенциала и снижается внутренняя энергия, рабочее тело совершает работу расширения, численно равную площади под линией процесса 12356. В процессе сжатия 3–4–1 отводится теплота q₁ высокого потенциала и повышается внутренняя энергия рабочего тела за счет затраченной работы сжатия, численно равной площади 14356. В обратном цикле работа цикла отрицательная, равна разности между работой расширения и сжатия, и графически изображается площадью 12341, т.е. обратный цикл может осуществляться только при затрате работы от внешнего источника.

Эффективность обратного цикла оценивается холодильным коэффициентом ε, который определяется из выражения

. (4.21)

Холодильный коэффициент ε обычно больше единицы и зависит от вида рабочего тела (холодильного агента). При обычных рабочих условиях для большинства хладагентов значение холодильного коэффициента находится в диапазоне от 3 до 8 (табл. 3).

Таблица 3. Величина холодильного коэффициента ε для некоторых хладагентов

Марка хладагента, условное обозначение по Международному стандарту	Химическая формула (состав)	Холодильный коэффициент ε
1	2	3
Диоксид серы (сернистый ангидрид), R764	SO2	8,7
Аммиак, R717	NH3	7,6
Диоксид углерода (углекислый газ), R744	CO2	5,7
Фреоны: R22	CHClF2	6,43
R134А	CF3CFH2	6,40

Окончание таблицы 3

1	2	3
R407C	Смесь R32 (23 %), R125 (25 %), R134А (52 %)	6,24
R410A	Смесь R32(50 %), R125 (50 %)	6,02