Теоретический цикл криодвигателя с изотермическим расширением. Энергетический и эксергетический анализ

Статья 5

УДК  621.484, 621.59

теоретический цикл криодвигателя с изотермическим расширением. Энергетический и эксергетический анализ

А.Н.Туренко, академик ТАУ, профессор, д.т.н., ХГАДТУ, С.И.Бондаренко, профессор, д.т.н., ФТИНТ НАНУ, И.И.Тимченко, профессор, к.т.н, А.И.Пятак, профессор, д.ф.-м.н., А.И.Харченко,

доцент, к.т.н., П.В.Жадан, доцент, И.Н.Кудрявцев, доцент, 

к.ф.-м.н., ХГАДТУ, А.Я.Левин,  гл. конструктор проекта, ФТИНТ НАНУ

Аннотация. Определены параметры и энергетические показатели замкнутого теоретического цикла криодвигателя с изотермическим расширением при максимальном давлении цикла 20 МПа. Дан энергетический и эксергетический анализ процессов цикла. Сопоставлены параметры теоретических циклов криодвигателя и автомобильного карбюраторного двигателя.

Ключевые слова: криогенный двигатель, жидкий азот, теоретический цикл, энергетический и эксергетический анализ.

Введение

Криогенный двигатель (криодвигатель) – это двигатель, работающий на энергии сжиженного негорючего газа (например, азота), полученного за счет теплообмена газа с окружающей средой. Сжиженный газ имеет при этом криогенную температуру, т.е. температуру равную или ниже температуры кипения жидкого воздуха. Преимущество данного двигателя – полная экологическая чистота и пожарная безопасность.

Все процессы рабочего цикла осуществляются при температурах Т ниже температуры окружающей среды Т_о.с.. В этом случае изменяется роль окружающей среды: она из нижнего источника теплоты – теплоприемника превращается в верхний источник теплоты – теплоотдатчик. Изменяются привычные для Т>Т_о.с. соотношения между теплотой q, эксергией ex_q и анергией b_q этой теплоты, когда теплота рассматривается как сумма эксергии и анергии (Бэр Г.Д., 1977), кДж/кг

,                        (1)

когда все три члена уравнения (1) имеют одинаковый знак и величины  ex_q и b_q , как составные части теплоты, естественно, всегда меньше самой теплоты  q .

В криодвигателе имеет место картина совершенно  иная.  Это  видно из известного   (Бродянский

В.М. и др., 1988) выражения для эксергии теплоты, участвующей в произвольном процессе 1 – 2,

,        (2)

где  t_ех = ( Т - Т_о.с.)/ Т  - эксергетическая темпера-турная функция.

При  Т < Т_о.с. имеем  t_ех < 0, из чего следует, что в данном случае знаки теплоты и эксергии противоположны: подвод теплоты влечет за собой отвод эксергии и наоборот. При  Т < 0,5 Т_о.с  абсолютная величина эксергии  

êех_q ê>êq ê.

Анергия теплоты   b_q  при Т < Т_о.с. в отличие от эксергии имеет тот же знак, что и теплота, но по абсолютному значению всегда больше теплоты. Формально анергия теплоты как бы “вмещает в себе” саму теплоту и имеющую противо-положный знак эксергию. Таким образом, соотношение (1) в принципе сохраняется как для случаев Т > Т_о.с. , так и для случаев  Т < Т_о.с

Анализ теоретического цикла криодвигателя, рассчитанного для заданных  условий представляет интерес тем, что позволяет увидеть диапазоны изменения основных параметров рабочего тела, рассмотреть особенности термо-динамических процессов, оценить энергетические и экономические показатели цикла.

Анализ  теоретического  цикла

На рис. 1 приведена схема криодвигателя, используя которую, с определенной условностью возможно осуществление замкнутого теоретического цикла. Схема представляет собой открытую термодинамическую систему. На рис. 2  в  p,v -  и  t,s - диаграммах изображен  теоретический цикл криодвигателя с изотермическим расширением и максимальным давлением цикла p_max, большим критического давления p_крит. Характерные точки цикла относятся к сечениям газожидкостного тракта, указанным на рис. 1  цифрами в кружочках.

Цикл  рассчитан для условий: p_max = 20 МПа        (в целях достижения возможно высоких КПД и полезной работы цикла величина Р_max выбрана наивысшей технически приемлемой); параметры окружающей среды: р_о.с.=0,1МПа,  Т_о.с.= 288 К; рабочее тело - азот (N₂), молекулярная масса  кг/кмоль,     p_крит  = 3,29 МПа, Т_крит= 126,25 К,  температура насыщения при  p = 1 атм (физич.)  Т_насыщ = 77,4 К, плотность жидкости в состоянии кипения  кг/м³. Применяется общепринятая в термодинамике (Алабовский А.Н., 1990) идеализация процессов цикла. Кроме указанных выше приняты  обозначения: i - удельная энтальпия рабочего тела, кДж/кг;  ex_i - эксергия удельной энтальпии, кДж/кг;  b_i - анергия удельной энтальпии, кДж/кг;  l - удельная работа рабочего тела в процессе, кДж/кг;  l_o -  удельная полезная работа цикла, кДж/кг ;  s - удельная энтропия рабочего тела, кДж/(кг× К);  ex_u  - эксергия внутренней энергии рабочего тела кДж/кг ;  g - удельный расход энергоносителя, кДж/(кВт×ч);  v - удельный объем рабочего тела, м³/кг.  Результаты расчетов представлены в табл. 1, 2 и 3. В расчетах использовалась  T,s - диаграмма для азота.

Точка 1 (см. рис. 1 и 2) характеризует состояние жидкого азота на входе в насос Н. В этом состоянии эксергия азота, кДж/кг

ex_{i 1} = i₁ - i_o.c - T_o.c.( s₁ - s_o.c. ) = 711,7  ,       ( 3 )