Lewobieżny obieg gazowy Joule`a a obieg parowy Lindego

Lewobieżny obieg gazowy Joule’a a obieg parowy
Lindego
Lucyna Gładzka
Natalia Sobolewska
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
Wydział: Mechaniczny
Rok studiów: IV
Rok akademicki: 2012/2013
Prowadzący: dr inż. Waldemar Targański
Spis treści
Wstęp ...................................................................................................................................................... 3
Lewobieżny obieg gazowy Joule’a ........................................................................................................... 4
Obieg parowy Lindego............................................................................................................................. 5
Podsumowanie ........................................................................................................................................ 7
Bibliografia: ............................................................................................................................................. 8
Wstęp
Obieg termodynamiczny jest szeregowym połączeniem kilku przemian, po odbyciu
których substancja robocza wraca do początkowego stanu równowagi. Obieg jest
odwracalny, jeżeli składa się składa wyłącznie z przemian odwracalnych. Nieodwracalność
chociaż jednej przemiany czyni obieg nieodwracalnym. Wyróżniamy lewobieżne oraz
prawobieżne obiegi termodynamiczne.
Praca obiegu lewobieżnego jest ujemna.
Rys. 1 Obieg lewobieżny
Obiegi lewobieżne są obiegami chłodniczymi. Energia do układu doprowadzana jest na
sposób pracy i na sposób ciepła, a wyprowadzone ciepło jest niższe niż doprowadzone.
Lewobieżny obieg gazowy Joule’a
Rys. 2 Lewobieżny obieg Joule'a w układach P-v i T-s
Obieg Joule'a jest obiegiem porównawczym turbin gazowych. Składa się on z
następujących przemian:




1-2 – izobaryczne dostarczenie ciepła ;
2-3 – sprężanie adiabatyczne bez strat, czyli reprezentowane przez adiabatę
odwracalną, będącą jednocześnie izentropą;
3-4 – izobaryczne chłodzenie (w układach rzeczywistych realizowane zwykle poprzez
wydalenie gorącego czynnika po rozprężeniu w turbinie i zassanie zimnego powietrza
z otoczenia);
4-1 – rozprężanie adiabatyczne bez strat, czyli odwracalne i jednocześnie
izentropowe.
Rys. 3 Schemat urządzeń realizujących obieg Joule’a
W systemie urządzeń realizujących obieg są 2 maszyny i 2 wymienniki ciepła. Praca
potrzebna do napędu sprężarki jest mniejsza od doprowadzonej do systemu pracy o pracę
silnika zwanego rozprężarką.
W trakcie przemiany izobarycznej niskociśnieniowej doprowadzane jest, do systemu
realizującego obieg, ciepło przy niskiej temperaturze (z ciał w chłodni), a w przemianie
P3 = P4 = const o ciśnieniu wysokim ciepło jest wyprowadzone z systemu do otoczenia, przy
czym gaz oddając to ciepło obniża swą temperaturę .
Obieg parowy Lindego
Rys. 4 Obieg parowy Lindego w układach P-v i T-s
Obieg Lindego jest odzwierciedleniem idealnej pracy urządzeń chłodniczych. Składa
się z następujących przemian termodynamicznych:




4-1 – izobaryczno-izotermiczne parowanie pary mokrej (doprowadzenie ciepła do
obiegu);
1-2 – izentropowe sprężanie nasyconej pary suchej;
2-3 – izobaryczne oziębienie pary przegrzanej do temperatury nasycenia i następnie
skraplania tej pary (odprowadzenie ciepła od czynnika chłodzącego);
3-4 dławienie cieczy nasyconej od ciśnienia skraplania P2 do ciśnienia parowania P1.
Obieg tworzy krzywą niedomkniętą na odcinku dławienia 3-4. Wychodząc ze stanu 3,
można jednak łatwo wyznaczyć stan 4, posługując się podstawową dla dławienia zależnością
h 3 = h 4. Wystarczy znaleźć na wykresach P-v lub T-s izentalpę h3, by na przecięciu jej z
izobarą P 1 = P4 znaleźć stan 4. Tę izentalpę wykreślono linią przerywaną, gdyż jest to krzywa
pomocnicza, a nie krzywa reprezentująca następujące po sobie stany substancji roboczej.
Rys. 5 Schemat urządzeń realizujących chłodniczy obieg Lindego
W układzie chłodniczym znajduje się czynnik termodynamiczny, który ulega
odparowaniu w parowniku do momentu aż ostatnia jego kropla przejdzie ze stanu cieczy,
cieczy nasyconej, aż do stanu gazowego. Czynnik odparowując odbiera ciepło z komory
chłodniczej. Na wejściu do sprężarki czynnik jest zasysany i sprężany z ciśnienia niższego do
ciśnienia wyższego. Wraz ze sprężeniem, czynnik podwyższa swoją temperaturę, wyższą od
temperatury otoczenia. Czynnik musi posiadać temperaturę wyższą od otoczenia, aby zaszło
zjawisko oddawania ciepła do otoczenia. Czynnik sprężony oddaje ciepło w skraplaczu,
przechodząc ze stanu gazowego w stan ciekły, po czym zostaje zdławiony w zaworze
dławiącym, zmieniając swoje ciśnienie i obniżając tym samym temperaturę. Czynnik
następnie trafia ponownie do parownika, gdzie proces się powtarza.
Podsumowanie
Oba opisywane obiegi są obiegami porównawczymi i obiegami lewobieżnymi, czyli
chłodniczymi, jednak chłodzenie realizowane jest w nich w różny sposób.
Różnice w sposobie realizacji chłodzenia w obydwu obiegach przedstawiono w
poniższej tabeli:
Obieg
Joula
Przemiana
Lindego
Urządzenie Przemiana
Proces
Urządzenie
Niskotemperaturowy
wymiennik ciepła
Izobaryczne ogrzanie
gazu
parownik
Dostarczenie ciepła
sprężarka
Sprężanie
izentropowe
(adiabatyczne) gazu
sprężarka
Wysokotemperaturowy
wymiennik ciepła
Izobaryczne
chłodzenie gazu
skraplacz
Turbina(rozprężarka)
Rozprężanie
izentropowe
(adiabatyczne) gazu
Zawór
dławiący
Podwyższenie
temperatury
czynnika roboczego
Oddanie ciepła
Obniżenie
temperatury
czynnika roboczego
Izobarycznoizotermiczne parowanie
pary mokrej
Izentropowe sprężanie
nasyconej pary suchej
Izobaryczne oziębianie
pary przegrzanej i jej
skroplenie
Dławienie cieczy
Podstawową różnicą między obiegiem Joula, a obiegiem Lindego jest stan skupienia
czynnika roboczego. W obiegu Joula jest to w trakcie wszystkich przemian gaz, natomiast w
obiegu Lindego czynnik roboczy zmienia stan skupienia. Wynikają z tego różnice w budowie
układów realizujących obydwa obiegi, widoczne w powyższej tabeli, najważniejszą z nich, jest
urządzenie w którym realizuje się obniżenie temperatury czynnika roboczego – w obiegu
Joula jest to turbina, ponieważ czynnikiem roboczym jest gaz, natomiast w obiegu Lindego –
zawór dławiący w którym dławimy ciecz, ponadto w obiegu Lindego wymiennikami ciepła są
parownik i skraplacz, co również wynika ze zmiany stanu skupienia czynnika roboczego.
Realizacja obiegów termodynamicznych za pomocą par nasyconych ma w porównaniu z
użyciem gazów istotne zalety, dzięki którym obiegi parowe znalazły szerokie zastosowanie w
technice. Zdecydowały o tym następujące cechy par nasyconych:



małe prace sprężania cieczy lub rozprężania jej, przez co w obiegach lewobieżnych
niewiele się traci przez rezygnację z konstrukcyjnie złożonej rozprężarki na rzecz
bardzo prostego zaworu dławiącego dającej pożądany spadek ciśnienia;
duża intensywność przenoszenia ciepła od skraplającej się pary do ścianek
aparatury dzięki czemu określona powierzchnia aparatu może przenieść duże ilości
energii cieplnej przy małym spadku temperatury, a więc i małej stracie egzergii z tego
powodu.;
Większa (w porównaniu do obiegu gazowego) pojemność cieplna czynnika
krążącego w obiegu, co za tym idzie w obiegu parowym może krążyć mniejsza ilość
czynnika niż w obiegu gazowym.
Bibliografia:
Pudlik W., Termodynamika, Wydanie III- cyfrowe, Przygotowane wiosna roku 2007 na
podstawie papierowego, drugiego wydania z roku 1998 z uwzględnieniem zmian i poprawek
wprowadzonych przez autora obecnie.
http://pbc.gda.pl/Content/4098/pbc_termodynamika.pdf
Butrymowicz D., Politechnika Białostocka, Materiały wykładowe: Termodynamika- Obiegi
termodynamiczne http://pl.scribd.com/doc/23650955/07-Obiegi-termodynamiczne
http://www.wikipedia.pl
Targański W., Techniki niskotemperaturowe, materiały z wykładów
Sadłowska-Sałega A., Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie; Materiały
pomocnicze do ćwiczeń z przedmiotu: Termodynamika techniczna
http://matrix.ur.krakow.pl/~isig/kbw/pomocnicze/termodynamika.pdf