© Prof. Antoni Kozioł, Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
OGÓLNOTECHNICZNE
PODSTAWY BIOTECHNOLOGII
Z GRAFIKĄ INŻYNIERSKĄ
Wykład XI
Obiegi termodynamiczne
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
4
3
2
1
5
2
Obiegi termodynamiczne
Definicja i ilustracja
Obiegiem (cyklem) termodynamicznym nazywamy szereg następujących
po sobie przemian, w wyniku których układ wraca do stanu wyjściowego.
Pojęcie obiegu (cyklu) termodynamicznego jest bardzo ważne dla zrozumienia
istoty działania zarówno silników cieplnych jak i urządzeń chłodniczych.
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
3
Ilustracja cyklu
termodynamicznego
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
4
Obiegi termodynamiczne
Uwagi ogólne
Jeżeli wszystkie przemiany są odwracalne to również obieg nazywamy
odwracalnym. Jeżeli chociaż jedna z przemian cyklu jest nieodwracalna to
cały obieg również jest nieodwracalny.
Czynnikiem podlegającym przemianom może być gaz doskonały lub
substancje rzeczywiste. W praktyce bardzo ważne są obiegi, w których
czynnikiem jest woda i para wodna.
Graficznie obiegi przedstawia się najczęściej w układach p – v i T – s.
Bardzo 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.
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
5
Obiegi prawobieżne - silnikowe
w
o
p
v
A
B
C
D
E
F
p
g
p
d
q
o
T
s
A’
B’
C’
D’
E’
F’
T
g
T
d
w
o
=w
g
+w
d
=Pole(ABCEFA)-Pole(CDAFEC)=Pole(ABCDA)
q
o
=q
g
+q
d
=Pole(A’B’C’E’F’A’)-Pole(C’D’A’F’E’C’)=Pole(A’B’C’D’A’)
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
6
Obiegi prawobieżne – silnikowe cd.
w
o
p
v
A
B
C
D
E
F
p
g
p
d
q
o
T
s
A’
B’
C’
D’
E’
F’
T
g
T
d
Na mocy I zasady termodynamiki możemy napisać dla dowolnego obiegu:
o
o
A
A
o
o
o
o
q
w
u
u
u
w
u
q
0
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
7
Obiegi prawobieżne – silnikowe
Sprawność obiegu silnikowego
w
o
=q
o
T
s
A’
B’
C’
D’
E’
F’
T
g
T
d
Celem obiegu silnikowego jest ciągłe przetwarzanie energii cieplnej (ciepła)
w energię mechaniczną (pracę). Aby ten cel zrealizować konieczne jest
dostarczenie do układu pewnej ilości ciepła – q
g
w temperaturze T
g
i odebranie
od układu części tego ciepła – q
d
w temperaturze T
d
.
Różnica tych wartości zostanie zamieniona na pracę w
o
. Ciepło q
g
jest równe
polu pod krzywą T
g
czyli polu figury A’B’C’E’F’A’. Ciepło q
d
ma znak ujemny
(jest odbierane z układu) a jego wartość jest polem pod krzywą T
d
czyli polem figury C’D’A’F’E’C’.
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
8
Obiegi prawobieżne – silnikowe
Sprawność obiegu silnikowego cd.
w
o
=q
o
T
s
A’
B’
C’
D’
E’
F’
T
g
T
d
)
'
'
'
'
'
'
(
)
(
)
'
'
'
'
'
'
(
)
(
'
'
'
'
A
F
E
C
D
A
Pole
ds
s
T
q
A
F
E
C
B
A
Pole
ds
s
T
q
C
A
C
A
s
s
d
d
s
s
g
g
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
9
Obiegi prawobieżne – silnikowe
Sprawność obiegu silnikowego cd.
g
d
g
d
g
g
o
q
q
q
q
q
q
w
1
g
d
q
q
Stosunek otrzymanej w obiegu pracy do ciepła dostarczonego nazywamy
sprawnością obiegu silnikowego.
Z I zasady termodynamiki czyli z prawa zachowania energii wynika że:
1
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
10
Obieg silnikowy a II zasada
termodynamiki
Działanie obiegu silnikowego jest ściśle związane z II zasadą termodynamiki.
Jedno z wielu sformułowań tej zasady jest następujące:
Ciągłe przetwarzanie ciepła na pracę jest możliwe tylko za pomocą
obiegu silnikowego, w którym układ pobiera ciepło w temperaturze
wyższej i oddaje ciepło w temperaturze niższej.
W związku z tym w każdym obiegu silnikowym można wyróżnić część otoczenia
z którego będzie pobierane ciepło w temperaturze T
g
. Część tą będziemy
nazywać źródłem górnym lub grzejnikiem. W innej części otoczenia
o temperaturze T
d
będzie się odbywało oddawanie przez układ części ciepła
otoczęniu. Ta część otoczenia jest nazywana źródłem dolnym lub chłodnicą.
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
11
Schemat obiegu silnikowego
Źródło górne (grzejnik)
T
g
T
d
Źródło dolne (chłodnica)
q
g
|q
d
|
w
o
=q
g
-|q
d
|
Silnik
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
12
Obieg Carnota
Wzorcowym obiegiem silnikowym jest obieg rozważany przez francuskiego
uczonego Carnota na początku XIX wieku. Czynnikiem w obiegu Carnota jest
gaz doskonały. Na obieg składają się dwie przemiany izotermiczne i dwie
przemiany adiabatyczne. Na wykresie p – v obieg wykres obiegu Carnota
jest dosyć prosty:
p
v
1
2
3
T
g
=const., pv=const., q
g
>0
q=0, s=const., pv
γ
=
const.
T
d
=const., pv=const., q
d
<0
q=0, s=const., pv
γ
=const.
4
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
13
|q
d
|
Obieg Carnota cd.
s
T
s
s
T
q
g
g
g
)
(
1
2
Wykres obiegu Carnota jest szczególnie prosty w układzie T - s:
T
s
w
o
=q
o
=q
g
-|q
d
|
1
2
3
4
T
g
=T
1
=T
2
T
d
=T
3
=T
4
s
1
=s
4
s
2
=s
3
g
d
T
T
1
s
T
s
s
T
q
d
d
d
)
(
3
4
g
d
g
d
g
d
T
T
s
T
s
T
q
q
1
1
1
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
14
Rzeczywiste obiegi silnikowe
Obieg Carnota jest obiegiem idealnym w rzeczywistości trudno realizowalnym.
W szczególności trudne do przeprowadzenia są przemiany izotermiczne.
Rzeczywiste realizacje silników są modelowane za pomocą szeregu różnych
obiegów, z których najważniejsze są obieg Otto i obieg Diesla.
Obieg Otto jest to wzorcowy obieg silnika spalinowego z zapłonem iskrowym
(niskoprężnego) składający się z dwu izochor i dwu adiabat:
p
v
1
2
3
4
v
2
=v
3
v
1
=v
4
w
o
=q
o
q=0, pv
γ
=const.
q
g
q
d
q=0, pv
γ
=const.
zapłon paliwa
s
1
2
3
4
s
1
=s
2
s
3
=s
4
T
q
d
,v=const.
q
g
,v=const.
q
o
=w
o
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
15
Obieg Diesla
Obieg Diesla jest to wzorcowy obieg silnika spalinowego z zapłonem
samoczynnym (wysokoprężnego) składający się z dwu adiabat, jednej izobary
oraz jednej izochory:
p
v
1
2
3
4
v
2
v
3
v
1
=v
4
w
o
=q
o
q
g
q
d
q=0, pv
γ
=const.
zapłon paliwa
s
1
2
3
4
s
1
=s
2
s
3
=s
4
T
q
d
,v=const.
q
g
,p=const.
q
o
=w
o
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
16
Obieg Diesla
Porównajmy obieg Diesla z obiegiem Otto:
p
v
1
2
3
4
v
2
v
3
v
1
=v
4
w
o
=q
o
q
g
q
d
q=0, pv
γ
=const.
zapłon paliwa
s
1
2
3
4
s
1
=s
2
s
3
=s
4
T
q
d
,v=const.
q
g
,p=const.
q
o
=w
o
2’
2’
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
17
Obiegi lewobieżne - chłodnicze
-w
o
p
v
A
B
C
D
E
F
p
g
p
d
-q
o
T
s
A’
B’
C’
D’
E’
F’
T
g
T
d
-w
o
=-w
g
-w
d
=Pole(ABCEFA)-Pole(CDAFEC)=Pole(ABCDA)
-q
o
=-q
g
-q
d
=Pole(A’B’C’E’F’A’)-Pole(C’D’A’F’E’C’)=Pole(A’B’C’D’A’)
Obiegi, w których kierunek przemian jest przeciwny do ruchu wskazówek
zegara nazywamy lewobieżnymi lub chłodniczymi.
Wykresy takich obiegów są analogiczne jak silnikowych, z tym że kierunki
wszystkich przemian są odwrotne a znaki ciepła i pracy przeciwne.
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
18
Obiegi lewobieżne – chłodnicze cd.
-w
o
=-q
o
T
s
T
g
T
d
q
g
<0
q
d
>0
W wyniku działania obiegu chłodniczego następuje transport ciepła ze
źródła dolnego do źródła górnego. Aby ten transport był możliwy na układzie
należy wykonać pracę –w
o
, której wartość bezwzględna jest określona polem
figury opisującej obieg. Schematycznie obieg chłodniczy można zilustrować
podobnie jak obieg silnikowy:
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
19
Schemat obiegu chłodniczego
Źródło górne (chłodnica)
T
g
T
d
Źródło dolne (zamrażalnik)
-q
g
q
d
-w
o
=-q
g
-q
d
Lodówka
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
20
Obiegi chłodnicze - realizacje
o
d
w
q
Obiegi lewobieżne mogą mieć dwa cele praktyczne:
1. Cel pierwszy to odebranie pewnej ilości ciepła ze źródła dolnego.
Urządzenie realizujące taki cel nazywamy chłodziarką lub lodówką.
Sprawność takiego urządzenia jest określona wzorem:
Sprawność chłodziarki może mniejsza
lub większa od jedności.
2. Cel drugi obiegu lewobieżnego to dostarczenie ciepła do źródła górnego
czyli jego ogrzanie. Urządzenie o taki celu nazywamy pompą cieplną.
Sprawność pompy cieplnej określamy wzorem:
o
g
p
w
q
Można zauważyć, że sprawność pompy
cieplnej jest zawsze liczbą większą od 1.
© Prof. Antoni Kozioł Wydział Chemiczny Politechniki Wrocławskiej 2010/2011
21
Na tym kończymy wykłady
z „Ogólnotechnicznych podstaw biotechnologii
z grafiką inżynierską”
Dziękuję bardzo Państwu za uwagę
i życzę powodzenia w zaliczeniu,
które odbędzie się w sali 310 A-2:
14.01.2011 – termin podstawowy
-godz. 11.15 parzyste numery albumu
- godz. 12.15 nieparzyste numery albumu
21.01.2011 godz. 11.30 – termin poprawkowy
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Ogolnotech dla Bio Ir WYKLAD IX
Ogolnotech(dla Bio Ir) WYKLAD X
Ogolnotech dla Bio IV WYKLAD VII
Ogolnotech dla Bio I WYKLAD IV
Ogolnotech dla Bio WYKLAD VI
Ogolnotech(dla Bio I) WYKLAD I
Ogolnotech(dla Bio I) WYKLAD V
Ogolnotech dla Bio I WYKLAD III
Ogolnotech(dla Bio I) WYKLAD IX
Ogolnotech dla Bio I WYKLAD IV
Ogolnotech(dla Bio I) W VI
Ogolnotech(dla Bio I) W X
Ogolnotech(dla Bio I) W VI
więcej podobnych podstron