Цикл Стирлинга: изотермические участки с регенерацией
1 · Прогноз
Цикл Стирлинга использует 2 изотермических и 2 изохорных участка, совсем без адиабат. Его КПД в принципе может совпасть со значением Карно, если идеальный «регенератор» рециркулирует теплоту между изохорными участками. Без идеального регенератора уступает ли измеренная эффективность простого цикла пределу Карно?
- Да — без регенератора сырой КПД этого цикла ниже предела Карно для тех же двух температур резервуаров.
- КПД точно равен пределу Карно независимо от регенерации.
- КПД превышает предел Карно.
2 · Подготовка
- Откройте пресет цикла Стирлинга и нажмите «Сброс». 1 mol аргона циклирует между 600 K и 300 K, используя только изотермические и изохорные участки.
- Включите показание работы по участкам и показание КПД цикла.
- Для каждого участка цикла (от 1 до 4) считайте целевой объём участка и работу, совершённую газом на этом участке.
3 · Сбор данных
| Номер участка | Целевой объём участка V (m³) | Работа газа на участке (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Набросайте P-V-диаграмму всех 4 участков, помечая 2 изотермических (изогнутых) и 2 изохорных (вертикальных) отрезка.
4 · Анализ
- Убедитесь, что этапы 2 и 4 (изохорные) показывают W = 0. Просуммируйте работу всех 4 этапов — это чистая работа цикла — и сравните показание КПД цикла с пределом Карно η_c = 1 − 300/600 = 0.5.
- Сырой КПД этого цикла (без идеального регенератора, возвращающего теплоту изохорных участков) остаётся ниже 0.5. По первому началу объясните, почему сброшенная на изохорном охлаждении теплота — это энергия, которую простой двигатель не восстанавливает.
5 · Развитие
- Реальный двигатель Стирлинга использует регенератор — сетку, запасающую теплоту, выделенную при изохорном охлаждении, и возвращающую её при изохорном нагреве. Объясните, почему идеальный регенератор позволил бы этому циклу приблизиться к КПД Карно даже без адиабатных участков.
- Двигатели Стирлинга ценятся за способность работать от любого внешнего источника теплоты (солнце, отходящее тепло и даже перепады температур в космосе), не требуя внутреннего сгорания. Почему замкнутый цикл с внешним нагревом привлекателен для таких применений?
Физика этого эксперимента
Предел Карно для КПД цикла
Никакой цикл между температурами Tc и Th — включая Стирлинга — не может превысить КПД Карно η_c = 1 − Tc/Th. Реальный (без регенерации) цикл Стирлинга не дотягивает до этого предела, потому что сбрасывает невозвращённое тепло на изохорном этапе охлаждения.