Теоретический цикл криодвигателя с изотермическим расширением. Энергетический и эксергетический анализ, страница 4

Техническая работа l₃₄ осуществляется  не за счет тепловой  энергии окружающей среды, а целиком обеспечивается эксергией сжатого азота  , которой он располагает в начале процесса. При этом анергия, воспринятая из окружающей среды в форме теплоты q₃₄ служит только для восполнения анергии газа в той мере, чтобы по первому началу термодинамики соблюдался энергетический баланс процесса, кДж/кг

.           (5)

Таким образом, не окружающая среда, а находящийся при высоком давлении р₃=20 МПа газ является в данном случае источником эксергии, отводимой в форме технической работы

                         .                       (6)

А анергия, воспринятая из окружающей среды в форме теплоты

,           (7)

лишь переходит в анергию уходящего из машины азота.

В процессе 4–5–1, протекающем в охладителе–конденсаторе ОК (рис. 1), происходит изобарный (при р=р_о.с.=const) отвод теплоты q₂=q₄₅+q₅₁=i₄-i₁, изображаемой в Т, s – диаграмме пл. s₄–4–5–1–s₁. В этом процессе происходит вначале снижение температуры азота от Т₄=Т_о.с. до температуры насыщения Т_насыщ.=77,4 К (точка 5), а далее при Т_насыщ.=const (процесс 5-1) азот конденсируется и возвращается в свое исходное состояние точки 1.

В криодвигателе отводимая теплота q₂ является теплотой затраченной, переносимой от менее нагретого тела (азота) к более нагретому (окружающей среде), что, как известно, связано с затратами внешней работы. Однако в теоретическом цикле условно принимается отвод q₂ даровым, осуществляемым вне криодвигателя.

Отводом теплоты q₂ = - 417,3 кДж/кг, восстанав-ливается до исходного уровня эксергия азота =711,7 кДж/кг, которая была полностью израсходована в процессах изобарного подвода теплоты  (2–3)  и изотермического расширения (3–4). Отводимая при Т<T_o.c. теплота q₂ не содержит эксергию (как это имеет место при Т>T_o.c.), а приводит к возникновению противоположно направленного потока эксергии =711,7 кДж/кг, которая по абсолютной величине больше самой теплоты. Эксергия в Т, s – диаграмме изображается той же площадью, что и эксергия сжиженного азота и по своему физическому смыслу представляет собой минимальную работу, затраченную на перенос q₂ от уровней температур Т<T_o.c. до уровня Т=T_o.c..

Анергия отведенной теплоты, кДж/кг

=-1129    (8)

имеет тот же знак, что и теплота и  на Т,s – диаграмме изображается пл. s₁–2’–4–s₄, представляющей  сумму площадей, соответствующих q₂ и .

Полезная работа l₀ может быть вычислена по данным табл. 2 как работа газа в процессе 3–4 за вычетом затрат на сжатие жидкости в насосе

, кДж/кг   (9)

О термическом и эксергетическом КПД цикла

В теории тепловых двигателей под термическим КПД рабочего цикла принято понимать отношение полезно использованной в цикле теплоты (полезной работы l₀) ко всему количеству теплоты, затраченной на цикл. Вынуждены отметить неуниверсальность этого понятия – его невозможно применить для оценки эффективности рабочего цикла криодвигателя. Дело в том, что в криодвигателе энергией, затраченной на получение l₀ не может быть принята ни подведенная теплота – потому, что это не затраченная, а даровая энергия окружающей среды, – ни отведенная теплота – потому, что она хотя и является теплотой затраченной, но сама по себе не может служить мерой затрат на ее отвод, т.к. эти затраты зависят не только от величины q₂=417,3 кДж/кг (что, меньше, чем l₀), но и от уровня температуры рабочего тела, при которой теплота отбирается. Поэтому только внешняя работа, затраченная на отвод теплоты от рабочего тела с целью его охлаждения и ожижения, и, одновременно с целью подвода к нему эксергии, может быть мерой затрат на осуществление цикла и получение l₀. Конкретно этой мерой, зависящей только от природы рабочего тела и параметров окружающей среды, может служить минимальная работа сжижения l_min, вычисляемая для определенных (в последующем стандартизованных) параметров окружающей среды р_о.с., Т_о.с.. Но . Следовательно, отношение l₀/l_min представляет собой не термический, а эксергетический КПД цикла криодвигателя