Теоретический цикл криодвигателя с изотермическим расширением. Энергетический и эксергетический анализ, страница 2

изображается в T,s -  диаграмме пл. 1 - 2¢ - 4 - 5. Слагаемое (- Т_о.с.(s₁ - s_о.с)) выражения (3) изображается пл. s₁ - 2¢ - 4 - s₄ (площадь, соответствующая работе изотермического расширения - процесс 2¢ - 4 ); слагаемое (i₁ - i _о.с.) – пл. s₁ – 1 – 5 – 4 – s₄ (площадь, соответствующая теплоте, которую надо отвести, чтобы перевести азот из состояния окружающей среды в состояние точки 1). Полезная работа l₀, соответствующая площади внутри замкнутого контура, изображающего цикл, как видно из Т,s – диаграммы, меньше ; пл. 3 –2 – 2’ на диаграмме представляет ту часть эксергии сжиженного азота, которая в цикле остается не использованной. Повышением P_max, как видно из диаграммы, l_o можно приблизить к . И только при P_max=P₂¢ значение . Но для этого жидкий азот пришлось бы сжимать до давления порядка 500000 бар, что технически неприемлемо  (Малков М.П., 1963).

Рис.1. Условная схема криодвигателя (для осуществления замкнутого теоретического цикла): Н - насос; В - вентилятор; Г - газификатор (рекуперативный теплообменник);  РМ – расширительная машина;  ОК - охладитель-конденсатор

Процесс 1 - 2 - адиабатное сжатие азота в насосе. Внешняя работа, затраченная на сжатие  жидкости, кДж/кг

         (4)

изображается в р,v -  диаграмме площадью, ограниченной линией процесса, осью ординат и абсциссами начала и конца процесса, и расходуется на увеличение энтальпии азота с  
i₁ = 1127  до  i₂ = 1151,6  кДж/кг  (табл.1).

В процессе 2- 3, протекающем в теплообменнике – газификаторе Г (рис. 1), происходит изобарный (р_max=const) подвод из окружающей среды теплоты q₂₃=i₃-i₂=356 кДж/кг, расходуемой на дальнейшее увеличение энтальпии азота; азот, имея сверхкритическое давление, нагреваясь постепенно переходит из жидкого в газообразное состояние, минуя область насыщенного пара. В конце процесса температура азота достигает окружающей Т₃=Т_о.с.=288 К, так как в теоретическом цикле эффективность (КПД) газификатора принята равной 1 (в действительном цикле Т₃<Т_о.с.).  Объем азота в процессе увеличивается пропорционально росту температуры

Рис.2. Теоретический цикл криодвигателя с изотермическим расширением при условии р_max >  р_крит

В отличие от обычных тепловых двигателей, подводимая к рабочему телу теплота q₂₃ является не затраченной, а даровой теплотой окружающей среды и не увеличивающей, а  снижающей эксергию рабочего тела, к тому же весьма существенно: с 736,3 до 450,1 кДж/кг или на 39%. Тем не менее  нагревать  рабочее  тело совершенно необходимо, т.к. работа последующего затем расширения пропорциональна Т₃. Кроме того, повышением Т состояние рабочего тела удаляется от состояния его конденсации при давлении в конце расширения, чем увеличивается возможность превращения в работу тепловой энергии, накопленной телом к началу расширения. В T, s – диаграмме положительной теплоте q₂₃ соответствует пл. s₁ – 2 – 3 – s₃, положительной анергии этой теплоты  – пл. s₁ – 2’ – 3 – s₃, т.е. как уже указывалось, при Т<Т_о.с. анергия теплоты больше самой теплоты (см. табл. 2) и “вмещает в себе” саму теплоту q₂₃ и ее отрицательную эксергию , соответствующую     пл. 2’–2–3.

Процесс 3–4, совершающийся в расширительной машине РМ (рис. 1), представляет собой изотермическое расширение азота при Т=Т_о.с.=const, сопровождающееся подводом из окружающей среды теплоты q₃₄=486,7 кДж/кг, что в 1,37 раза больше теплоты q₂₃, подводимой в газификаторе, и даже больше (на 8.1%) работы газа в процессе l₃₄=450,1 кДж/кг, несмотря на то, что это сравнительно высокое значение работы, достигаемое высокой степенью расширения v₄/v₃ =p₃/p₄  =200 и высоким начальным давлением, равным 200 бар. Это сопоставление величин q₃₄, q₂₃ и l₃₄ позволяет косвенно оценить сколь проблематичным является обеспечение в криодвигателе изотермического расширения.