Двигатель Стирлинга: Поршневой двигатель (2) внешнего сгорания, работающий по термодинамическому циклу с изотермическим сжатием и расширением. Изобретен в 1816 г., Шотландия, Робертом Стирлингом

Источник тепла нагревает газ в правой части теплообменного цилиндра. Газ разширяется и через трубку оказывает давление на рабочий поршень. Поршень опускается, толкает шатун и поворачиает маховик. При этом одновременно в право двигатется вытеснительный поршень. Он вытесняет газ из нагревающейся части теплообменного цилиндра в его холодную часть, которая имеет охлаждающееся оребрение. Теплообменный поршень заполнен теплоизолирующим материалом. Газ остывает, создавая обратное усилие на рабочий поршень, поршень поднимается вверх и цикл повторяется с начала. не нашли развития из-за низкой надежности и относительно невысоких показателей. Расчеты показали, что теоретически КПД двигателя Стирлинга значительно выше других моторов. Стирлинги отличались бесшумной работой, экономичностью и всеядностью: головка цилиндров могла обогреваться и дровами, и углем, и даже солнечными лучами. А стационарное «внешнее горение» определяло высокую экологичность. В 1945 году инженеры фирмы Philips нашли стирлингу обратное применение - раскрутив вал двигателя электромотором, они вызвали охлаждение головки цилиндров до минус 190°С! Эта особенность двигателя Стирлинга нашла применение в промышленных холодильных установках

12. Компрессорные установки. По принципу устройства и работы компрессоры делятся на две группы – объемные и лопаточные. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные – на центробежные и осевые (аксиальные). Объемный компрессор – это компрессор статического сжатия, которое происходит в нем вследствие уменьшения объема, где заключен газ.

На рис.17.1,а показана принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора. Коленчатый вал компрессора приводится во вращение от электродвигателя или от поршневого двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндр с охлаждаемой рубашкой через автоматически открывающийся клапан А из окружающей среды всасывается газ. Нагнетательный клапан В закрыт под действием давления газов в резервуаре, которое больше атмосферного. При обратном движении поршня от НМТ к ВМТ газ начинает сжиматься, давление его увеличивается, и всасывающий клапан закрывается. Процесс сжатия продолжается до тех пор, пока давление в цилиндре не станет равным (практически несколько больше) давлению в резервуаре. Тогда клапан В открывается, и начинается процесс нагнетания сжатого газа в резервуар до тех пор, пока поршень не придет в ВМТ. Рассмотрим рабочий процесс в рV - координатах для идеального одноступенчатого компрессора (идеального в том смысле, что в нем не учитываются потери на трение, а утечки газа и объем вредного пространства (объем между крышкой цилиндра и днищем поршня при его положении его в ВМТ) принимаются равными нулю, т. е. на рис.17.1,б положение ВМТ будет совпадать с осью ординат). Обозначим: Vh - рабочий (полезный) объем цилиндра; P1 — давление окружающей среды; P2 - давление газа в резервуаре; процессы: D - 1 - всасывание; 1-2 - сжатие; 2-C - нагнетание. С началом нового хода поршня снова открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает от Р2 до Р1 теоретически мгновенно, т. е. по вертикали С-D, и рабочий процесс повторяется, завершаясь, таким образом, за два последовательных хода поршня. Следовательно, компрессор представляет собой двухтактную машину. Обычно одноступенчатые компрессоры применяют для получения сжатого газа давлением не выше 0,8—1 МПа. Многоступенчатый поршневой компрессор.

В многоступенчатых компрессорах сжатие газов осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (до семи) с промежуточным охлаждением после каждого цилиндра в специальных холодильниках. При таком принципе работы сжатие газа в каждом цилиндре возможно при допустимом температурном режиме, обеспечивающем благоприятные условия смазки. В промежуточных холодильниках после каждого цилиндра газ охлаждают при постоянном давлении, равном давлению конечного сжатия в соответствующей ступени.

13.холодильные установки. Формально эти циклы отличаются направлени­ем протекания термодинамических процессов - они осуществляются против хода часовой стрелки, а не по ходу, как циклы прямые. И - как и в случае с циклами тепловых двигателей - наиболее эффективным среди подобных циклов оказывается цикл Карно, но цикл обратный, холодильный коэффициент которого в соответствии с формулой (4.6) зависит лишь от температур верхнего и нижнего источников теплоты

По виду применяемого хладагента различают аммиачные и хладоновые холодильные агрегаты. По конструктивным особенностям компрессоров агрегаты подразделяют на открытые и герметичные, а конденсаторов — с воздушным и водяным охлаждением. В зависимости от состава входящих в них элементов холодильные агрегаты бывают компрессорные, компpeccopно-конденсаторные, испарительно-регулирующие, испарительно-конденсаторные и комплексные агрегаты.

Классификация: Основным элементом холодильных установок являются компрессоры - машины для сжатия воздуха или другого газа. Компрессоры подразделяют на пять типов: турбокомпрессоры (центробежные); поршневые; мембранные; ротационные (пластинчатые и с катящимся ротором) и винтовые Холодильные установки классифицируют по температурному режиму, холодопроизводительности, холодильному агенту. Холодильный агент, хладагент, рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении или в процессе расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде (воде, воздуху и т. п.).  К хладагентам предъявляется ряд требований: они должны иметь низкую температуру кипения при давлениях выше атмосферного (во избежание подсоса воздуха), умеренные давление и температуру конденсации, низкую температуру затвердевания и высокую критическую температуру, большую теплоту парообразования при малых удельных объёмах паров, малую теплоёмкость и высокую теплопроводность. Основными холодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны) и некоторые углеводороды. 

Парокомпрессионные установки.цикл карно

Тепловые насосы.

15.теплообмен.

16.воп.Различают 3 способа передачи теплоты (теплообмена):

1) лучеиспусканием или радиацией;

2) переносом или конвекцией;

3) теплопроводностью (при непосредственном соприкосновении

Теплопроводность: Перенос теплоты теплопроводностью (который в чистом виде имеет место только в твердых телах с малым коэффициентом терми­ческого расширения) выражается эмпирическим законом Био-Фурье. согласно которому вектор плотности теплового потока прямо про­порционален градиенту температуры

q = -λ.gradT.

Знак «минус» в уравнении показывает, что направление теп­ловою потока противоположно направлению градиента температурьы. Коэффициент пропорциональности λ в уравнении характери­зует способность тел проводить теплоту и называется коэффициентом геплопроводности. Количественно коэффициент теплопроводности - гепловой поток (Вт), проходящий через единицу поверхности (м²) при едиАичном градиенте температур (К/м), и имеет размерность Вт/(м К). Коэффициент теплопроводности - физическая характеристика, завися­щая от химического состава и физического строения вещества, его гемпературы, влажности и ряда других факторов. Коэффициент теплопроводности имеет максимальные значения цля чистых металлов и минимальные для газов.. Теплопроводность газов. Согласно молекулярно-кинетической геории теплопроводность в газах обусловлена взаимным обменом энергией при соударениях молекул между собой. Молекула, обла­дающая большей кинетической энергией, ударившись о молекулу с меньшей кинетической энергией, передает последней часть своей энергии, что приводит к выравниванию температуры в газе.

Теплопроводность жидкости осуще­ствляется обменом энергии при соударениях молекул по типу распро­странения продольных колебаний (аналогично распространению зву­ка). Теплопроводность металлов. Теплопроводность чистых метал­лов, так же как и сплавов, зависит от их кристаллической структуры, размера и ориентации зерен, наличия деформации кристаллической решетки и др. Передача теплоты в металлах и сплавах осуществляет­ся за счет движения свободных электронов и упругими колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки. Для чистых и хорошо про­водящих металлов электронная проводимость является основной. На­личие в металлах примесей, дефектов решетки и т.д. вызывает уменьшение электронной проводимости, поэтому теплопроводность сплавов меньше теплопроводности чистых металлов.

Конвективный теплообмен Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие: 1). Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция). Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция). 2). Режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным. 3). Физические свойства жидкостей и газов. Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (λ), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ),.Общие сведения. В жидкостях и газах на процесс теплопровод­ности накладывается конвективный перенос, обусловленный движе­нием конечных (состоящих из большого числа молекул) объемов среды. Неоднородное температурное поле приводит к возникновению неоднородного поля плотностей: в областях с более высокой темпе­ратурой плотность среды вследствие теплового расширения умень­шается, и наоборот. Возникает неоднородное поле гравитационных массовых сил. Так, различие плотностей р/р₀, связанное с перепадом температур ∆Т=Т-Т₀, равно р/р₀=1+β∆Т

β- коэффициент объемного расширения. Перенос теплоты при движении среды за счет Архимедовой силы называют свободной или естественной конвекцией. В общем случае сиободная конвекция может иметь место при движении жидкости под действием неоднородного поля не только гравитационных, но и дру­гих массовых сил (электрических, магнитных). Если движение среды вызвано действием внешних сил, прило­женных на границах системы, или за счет кинетической энергии, со общенной жидкости вне системы, то процесс переноса теплоты назы­вают вынужденной конвенцией. Перенос теплоты за счет движения среды. В движущейся среде в уравнении (6.3) появляется дополнительный член, учитывающий движение среды со средней линейной скоростью w

q = -X_fgradT+c_pp_fwT.где индекс «f» относится к среде.Здесь Xf, pf, Ср - теплопроводность, плотность и теплоемкость при p=const среды. Закон Ньютона. При «чистом» теплообмене нормальная состав­ляющая скорости также равна нулю q=-X_f gradT. q = аДТ . называют законом Ньютона для теплоотдачи. коэффициент конвективной теплоотдачи а (Вт/м² К);_tt._vg»"U. Ес­ли использовать термодинамическую аналогию, то коэффициент кон­вективной теплоотдачи а можно рассматривать как «функцию про­цесса», зависящую от большого числа различных факторов: формы и размеров тела, температуры, давления и скорости движения среды, физических свойств среды и др. Диапазон численных значений а со­ставляет а =10...10⁶ Вт/(м²К), Тепловой поток Q (Вт) через поверхность теплообмена А (м ) ра­вен0=аАДТ. Тепловой пограничный слой. Пусть около поверхности существует условный слой толщиной 5_Т, в котором температура меняется от ее значения на поверхности T_w до температуры окружающей среды T_f (рис. 6.7), а перенос теплоты происходит за счет теплопроводности жидкости.n-нормаль к поверхности.δ-тепловой пограничный слой.

Тогда уравнение (6.9) принимает вид

q = аДТ = —AT. Термическое сопротивление. Сопоставим уравнения Био-Фурье и закона Ома для электрического проводника:

dQ = —dA; дп

dl = —dA, (У an

дЕ

где а_э - удельное электрическое сопротивление Ом м; градиент

дп

потенциала (напряжений) на концах проводника.

Видно, что сила электрического тока I соответствует тепловому потоку Q, электрический потенциал Е соответствует температуре Т, удельная проводимость (электропроводность) 1/а соответствует теп­лопроводности X. Отсюда следует, что если распределение темпера­тур на поверхности соответствует поверхностному распределению электрического напряжения, то поля температур и напряжений в теле будут аналогичны (это позволяет использовать электротепловую ана­логию для решения различных задач теплопроводности, особенно нестационарной).