Баскаков А.П. Теплотехника

Подождите немного. Документ загружается.

рис.

23.9), а при |= 100 % (чистый амми-

ак) его температура кипения равна

—

33,4 °С (точка 2). При промежуточ-

ных концентрациях температуры кипения

при давлении 100 кПа лежит в указан-

ном интервале (кривая 12). Составы

раствора и равновесного с ним пара при

той же температуре оказываются раз-

личными, т. е. при кипении раствора кон-

центрации |i образуется пар, имеющий

по сравнению с исходным раствором бо-

лее высокую концентрацию легкокипя-

щего компонента, равную |

. (Из раство-

ра интенсивно выпаривается тот компо-

нент, который при данном давлении

имеет меньшую температуру кипения.)

Поскольку процесс выпаривания являет-

ся эндотермическим, т. е. протекает с за-

тратой теплоты, то обратный ему процесс

поглощения компонента раствором явля-

ется экзотермическим.

Абсорбционная холодильная уста-

новка состоит из следующих элементов

(рис.

23.10): испарителя И, конденсато-

ра КД, абсорбера Аб, кипятильника /С/7,

насоса Н и дроссельных вентилей

РВ1 и РВ2. Основные элементы уста-

новки — кипятильник с конденсатором

и абсорбером — предназначены для не-

прерывного воспроизводства жидкости

высокой концентрации, поступающей за-

тем в испаритель на парообразование,

и жидкости низкой концентрации, слу-

ff(T)

ГОРЯЧИВ

%\р

7 PBZ

\-J тепла- ¥

Pa.<

носитель

Охлаждаемый

одьект

Охлаждающая

да да

Рис.

23.10. Схема абсорбционной холодиль-

ной установки

жащей для абсорбции (поглощения)

концентрированного пара.

В кипятильнике при р

= const про-

исходит выпаривание из раствора компо-

нента за счет подводимой от горячего

источника теплоты q\. Пар направляется

в конденсатор, где, отдавая теплоту ох-

лаждающей среде (воде), конденсирует-

ся также при p

= const. При этом обра-

зуется жидкость с высокой концентра-

цией аммиака. В регулирующем вентиле

РВ2 давление этого легкокипящего ком-

понента снижается до давления в абсор-

бере (р

<г

); при этом уменьшается

и температура кипения. С этими пара-

метрами жидкость поступает в испари-

тель и, отбирая теплоту q%, переходит

в пар. Пар направляется в абсорбер, где

поглощается раствором; выделяющаяся

при этом теплота отводится охлаждаю-

щей водой. Чтобы не было изменения

концентрации растворов в кипятильнике

и абсорбере |а (!»>£*) вследствие выпа-

ривания компонента в первом и поглоще-

ния во втором, часть обогащенного

легкокипящим компонентом раствора из

абсорбера перекачивается насосом в ки-

пятильник, а из последнего часть обед-

ненного раствора через дроссель РВ1 на-

правляется в абсорбер.

Сравнение схем абсорбционной

и компрессионной (см. рис. 23.10 и 23.8)

холодильных установок показывает, что

роль компрессора в абсорбционной уста-

новке выполняют кипятильник и абсор-

бер.

Процесс поглощения в абсорбере

соответствует всасыванию паров холо-

дильного агента в компрессор, а выпа-

ривание в кипятильнике — процессу

сжатия и выталкивания агента из ком-

прессора.

Полезным эффектом работы абсор-

бционной установки является теплота q

воспринятая в испарителе. Для получе-

ния этого эффекта в установке затрачи-

вается теплота q

, подводимая в кипя-

тильнике.

Степень эффективности абсорбцион-

ных машин в отличие от других холо-

дильных установок характеризуют тепло-

вым коэффициентом

= q

/q\.

(23.6)

201

В зависимости от схемы и применяемого

раствора отношение колеблется в широ-

ких пределах от 0,2 до 0,8.

Отечественная промышленность се-

рийно выпускает бромисто-литиевые хо-

лодильные агрегаты типа АБХА. Напри-

мер,

агрегат АБХА-2500 предназначен

для охлаждения воды до температуры

4-4 °С за счет использования горячей

воды (80—120 °С) или низкопотенциаль-

ного пара. Холодопроизводительность

агрегата составляет около 3000 кВт,

= 0,7.

Автономные кондиционеры. Автоном-

ные кондиционеры применяются чаще

всего для небольших помещений и имеют

ограниченную производительность по

воздуху — до 620 кг/ч. Автономный кон-

диционер всегда комплектуется холо-

дильной машиной, конденсатор которой

имеет водяное или воздушное охлажде-

ние.

Кондиционер с воздушным охлажде-

нием конденсатора обычно устанавлива-

ется в оконном или стенном проеме

(рис.

23.11) так, что наружный его отсек

10 сообщается с окружающей средой,

а внутренний 4 — с помещением. Заса-

сываемый через жалюзи 3 наружный воз-

дух вентилятором 2 подается на обдув

конденсатора / и затем снова выбрасы-

вается наружу. Воздух помещения очи-

щается в фильтре б и другим вентилято-

ром 7 подается в испаритель 5 холодиль-

ной машины, где охлаждается и по-

ступает обратно в помещение. Герметич-

ный компрессор 9 холодильной машины

устанавливается в наружном отсеке. Для

подачи в помещение свежего воздуха

П \ 1

Рис.

23.11.

Схема автономного кондиционера

202

Рис.

23.12. Схема теплового насоса

в перегородке кондиционера, разделяю-

щей оба отсека, предусмотрено отверстие

8. Более универсальными являются авто-

номные кондиционеры, в которых холо-

дильная машина работает по схеме теп-

лового насоса. Такие кондиционеры

обеспечивают не только охлаждение, но

и нагрев воздуха в помещении в зависи-

мости от условий производства.

Тепловые насосы. Большие перспек-

тивы в качестве источников холода и теп-

лоты низкого и даже среднего (до

300 °С) потенциала имеют тепловые на-

сосы. Основным элементом теплонасос-

ной установки является компрессор или

абсорбционная машина.

На рис. 23.12 приведена схема тепло-

вого насоса для отопления здания. Эле-

менты схемы: компрессор К, конденсатор

КД, регулирующий вентиль РВ и испари-

тель И составляют обычную.компресси-

онную холодильную установку. Испаре-

ние холодильного агента в испарителе

происходит за счет теплоты, получаемой

от холодной воды, и энергии, подводимой

к компрессору.

Насосом HI вода, служащая источ-

ником низкопотенциальной теплоты, по-

дается в испаритель. В конденсаторе хо-

лодильный агент отдает часть своей теп-

лоты воде из системы отопления СО.

Циркуляция подогретой воды осуще-

ствляется насосом Н2. Промышленно-

стью выпускается тепловой насос НТ-80,

предназначенный для тепло-, хладо-

и теплохладоснабжения различных

объектов. В режиме теплоснабжения на-

сос обеспечивает получение горячей во-

ды с температурой 45—48 °С при темпе-

ратуре низкопотенциального теплоноси-

теля не ниже 6 °С; в режиме хла-

доснабжения — получение холода с тем-

пературой до

—

25 °С при охлаждении

конденсатора водой с температурой не

выше 30 °С. В качестве источника низ-

копотенциальной теплоты в тепловом

насосе используют водопроводную, арте-

зианскую и термальную воду с темпера-

турой от 10 до 40 °С. Хладагентом

в установке является хладон Ф-12. Теп-

лопроизводительность при температуре

кипения

<„

= 6°С и температуре конден-

сации г

°С составляет 130 кВт. Хо-

лодопроизводительность при температу-

ре кипения

<„

= 5°С и температуре кон-

денсации г

= 35

С составляет 150 кВт.

Контрольные вопросы и задачи

23.1.

Почему в СССР используется в ос-

новном водяное, а не паровое отопление?

23.2.

Как регулируется подача теплоты

в системах отопления?

23.3.

Рассчитать расход теплоты на ото-

пление четырехквартирного двухэтажного до-

ма, расположенного в районе г. Свердловска,

и выбрать необходимое число секций нагрева-

тельного прибора — чугунного секционного

радиатора типа М-140-АО (поверхность на-

грева одной секции 0,254 м

). Площадь дома

по наружному обмеру 100 м

; квартиры —

трехкомнатные с кухней; высота дома 6,28 м.

Температура горячей воды в радиаторе 80 °С,

коэффициент теплопередачи к через стенку

радиатора принять равным 6 Вт/(м

-К). Тем-

пература воздуха в квартирах равна 18 °С.

23.4.

Рассчитать цикл одноступенчатой

холодильной машины, если заданы температу-

ра кипения фреона-12 Г|=258 К (рис. 23.8),

температура перед дросселем Т

= 303К.

Глава двадцать четвертая

ПОВЫШЕНИЕ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТОПЛИВОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ

24.1.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НЕСОВЕРШЕНСТВА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Наглядно показать степень энергети-

ческого несовершенства агрегатов, вхо-

дящих в любое производство, можно

с помощью энергетической диаграммы,

составленной на основе баланса потоков

энергии в каждом агрегате (см. пример

баланса топки — рис. 17.1). На

рис.

24.1, а приведена энергетическая ди-

аграмма ТЭС. Основное количество

энергии (55 %) теряется в конденсаторе

турбины. Повышая давление, а соответ-

ственно и температуру пара в конденса-

торе,

эту энергию полностью или частич-

но можно использовать на теплофика-

цию (см. § 6.4).

Часто избытки тепловой энергии при-

ходится преобразовывать в другие виды

энергии (механическую или электриче-

скую).

В этом случае целесообразнее по-

строить эксергетическую диаграмму

(рис.

24.1, б), в которой учитывается ра-

ботоспособность потоков тепловой энер-

гии (см. §5.7). Результаты энергетиче-

ского и эксергетического анализов могут

резко отличаться друг от друга. Так,

потери эксергии в конденсаторе конден-

сационной электростанции составляют

всего 3,5 %, поскольку потенциал (тем-

пература) теряемой тепловой энергии

близок к потенциалу окружающей среды

и согласно второму закону термодинами-

ки лишь малую долю этой энергии можно

преобразовать в другой вид.

Больше всего эксергии (56 %) теря-

ется в котле, который с энергетической

точки зрения выглядит вполне благопо-

лучно (потери 9%). Как указывалось

в §6.1, химическую энергию, поступаю-

щую в паровой котел топлива, принципи-

ально можно полностью превратить в ме-

ханическую (или электрическую). В про-

цессе горения химическая энергия прак-

тически полностью превращается в теп-

лоту, а уже теплоту полностью пре-

вратить в работу невозможно. Таким

образом, без потерь энергии в окружаю-

щую среду теряется работоспособность

(эксергия). Способы снижения эксерге-

тических потерь для данного примера

рассмотрены в §6.1 и 6.2.

203

55%

Эксергия топлива

Потери

котле

ZZZZZ£>

§ S

сз

< 5:

Потери

паропроводе

Механические

потери

33%

Потери

генераторе

нотле

SS'/o

0,5%

потери

1 паропроводе

SS'/o

потери

турдоэлектро

генераторе

3,5"/о

потери

конденсаторе

33%

Рис.

24.1.

Энергетическая

(а) и

эксергетическая

(б)

диаграммы тепловой конденсационной

электрической станции

(ТЭС)

Следует иметь в виду, что оконча-

тельный выбор пути совершенствования

любой технологии осуществляется на ос-

нове технико-экономического сравнения

различных вариантов.

24.2.

ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ

ОРГАНИЗАЦИИ

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Конкретные способы улучшения

энергетических и эксергетических пока-

зателей для разных производств и про-

цессов различны, но есть и общие прие-

мы снижения энергозатрат.

Наиболее распространенным и эф-

фективным способом является регенера-

ция энергии. Сущность регенерации за-

ключается в передаче энергии от выходя-

щих из агрегата потоков к входящим.

Например, многие крупные нагреватель-

ные и плавильные печи оборудованы теп-

лообменниками, в которых воздушное

дутье (а иногда и газообразное топливо)

подогревается уходящими газами

(рис. 24.2).

Очень важно, что регенерация позво-

ляет не просто утилизировать теплоту

отходящих газов, но снижает расход топ-

лива и, кроме того, улучшает работу са-

мой печи, поскольку температура горе-

ния при использовании подогретого воз-

духа возрастает. Улучшаются условия,

а соответственно и полнота горения топ-

лива, резко усиливается теплообмен из-

лучением между потоком газа и нагрева-

емыми изделиями.

В ряде случаев регенерацию теплоты

целесообразно использовать и на низко-

температурных потоках. Например, теп-

лотой вентиляционных выбросов можно

подогреть поток воздуха, подаваемого

в помещение, уменьшив, таким образом,

расход энергии на отопление.

Весьма эффективно регенерировать

и холод. Например, для пневмотранспор-

та цемента и в ряде других случаев тре-

буется сухой воздух (без водяных па-

ров).

Осушку воздуха можно осуще-

Горячий воздух

Рис.

24.2.

Схема нагревательной печи

реге-

нерацией теплоты уходящих газов:

—

рабочий объем печи;

— нагреваемые детали;

3 — воздухоподогреватель;

— горелка

204

Влажный

Воздух

Рис.

24.3. Схема установки для осушки ком-

прессорного воздуха:

/ — теплообменник; 2— конденсатор или вымора-

живатель влаги; 3 — холодильная машина

Рис.

24.4. Принцип регенерации энергии из-

быточного давления

ствить за счет его охлаждения

(рис.

24.3), при этом влага сконденсиру-

ется или вымерзнет, если в выморажива-

теле /<0°С. Использование при этом

теплообменника / резко сокращает мощ-

ность холодильной машины 3 и расход

энергии на ее привод.

Регенерировать можно не только теп-

ловую энергию, но и энергию избыточно-

го давления. Например, если в реакцион-

ной камере / (рис. 24.4) по условиям тех-

нологии необходимо избыточное давле-

ние,

то исходные продукты 2 приходится

сжимать компрессором 3, затрачивая на

это электроэнергию. Однако часть этой

энергии, а иногда даже больше энергии,

чем затрачено (если, например, в реакто-

ре / увеличивается объем газов), можно

вернуть (регенерировать) за счет расши-

рения получающихся продуктов 4 в тур-

бине 5. Электромашина 6 при этом игра-

ет роль пускового двигателя, а также

источника недостающей или потребителя

избыточной мощности (в последнем слу-

чае электромашина работает в режиме

генератора). Хорошим примером исполь-

зования энергии давления является тур-

бина-расширитель, устанавливаемая за

доменной печью для срабатывания избы-

точного давления доменного газа. При-

чем в этом случае удобнее всю выраба-

тываемую турбиной энергию превращать

в электроэнергию с помощью генератора,

а компрессоры, нагнетающие воздух

в печь, приводить в движение от элек-

тродвигателей, т. е. осуществлять энерге-

тическую связь через электрическую сеть.

Регенерация теплоты наиболее эф-

фективно работает совместно с принци-

пом противотока, в соответствии с кото-

рым нагреваемые продукты или детали

должны двигаться навстречу охлаждае-

мым, от которых они получают энергию.

На рис. 24.2 специально допущена неточ-

ность и принцип противотока использо-

ван только в самой печи (горячие газы

и детали), а воздухоподогреватель взят

с перекрестным движением сред. Про-

тивоточный теплообменник, как, напри-

мер,

изображенный на рис. 24.3, позво-

лил бы сильнее снизить температуру от-

ходящих из печи газов, а следовательно,

и в большей степени уменьшить потерю

теплоты вместе с ними.

В целом нужно стремиться, исполь-

зуя принципы регенерации и противото-

ка, приблизить параметры всех выходя-

щих потоков к параметрам входящих,

уменьшая, таким образом, внешний под-

вод энергии. Как уже было показано, это

не противоречит требованиям технологи-

ческого процесса нагревать, охлаждать

или сжимать среды или материалы на

промежуточных стадиях. Создавая энер-

госберегающие технологии (или энерго-

технологии), как, впрочем, и любое без-

отходное производство, целесообразно

подходить к нему комплексно, объединяя

промежуточные этапы.

Не надо забывать, что принятые

оценки эффективности использования

энергии в значительной мере отражают

технический уровень сегодняшнего

(а иногда и вчерашнего) дня. Например,

КПД печи для нагрева металла оценива-

ется как отношение количества теплоты,

воспринятой металлом, к теплоте сож-

женного топлива. Но в народном хозяй-

стве нагретый металл не нужен. И если,

охладив его, использовать эту теплоту

(такие установки имеются), то КПД пе-

205

чи по современным представлениям мо-

жет оказаться выше 100 %.

В ряде случаев вообще удается при

лучшей организации производства

исключить некоторые технологические

процессы, в том числе и процессы на-

грева. Например, начинает практико-

ваться термообработка непосредственно

с прокатного нагрева вместо традицион-

ного двойного нагрева перед прокаткой

и перед термообработкой, осуществляе-

мой обычно в другом цехе. Естественно,

что во время транспортировки из цеха

в цех прокат остывает и его вновь при-

ходится нагревать.

24.3.

УТИЛИЗАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ

(ПОБОЧНЫХ) ЭНЕРГОРЕСУРСОВ (ВЭР)

Если в данном производстве за счет

регенерации не удается полностью ис-

пользовать всю энергию, нужно попы-

таться не сбрасывать ее в окружающую

среду, а продать эти ненужные вторич-

ные (побочные) для данного

производства энергоресурсы другим по-

требителям либо организовать у себя

специальное производство, потребляю-

щее эту энергию. Такой подход не дает

экономии топлива в самом технологиче-

ском процессе, но может существенно

улучшать экономические показатели

производства за счет средств, получен-

ных от реализации ВЭР.

Главная трудность при решении про-

блемы утилизации ВЭР обычно состоит

в поиске потребителя. Приходится ана-

лизировать уже не только свое производ-

ство,

но и в первую очередь сопутствую-

щие,

а иногда и совершенно не связан-

ные.

Нередко для утилизации ВЭР со-

здают тепличные хозяйства, рыбоводные

пруды и т. д. Способ утилизации ВЭР вы-

бирают в зависимости от требований по-

требителя и вида вторичной энергии.

Если на производстве имеются горю-

чие отходы — топливные ВЭР, то исполь-

зование их обычно не представляет тру-

да. Так, доменный и коксовый газы ме-

таллургического комбината сжигаются

в топках паровых котлов вместе с други-

ми видами топлива. В крайнем случае,

если не удается сжечь топливные ВЭР

в обычных топках, создают специальные,

например топки с кипящим слоем

(см.

гл. 17) для сжигания высокозоль-

ных твердых остатков углеобогатитель-

ных фабрик.

За счет ВЭР избыточного давления

в расширительных турбинах обычно по-

лучают электроэнергию (как на

рис.

24.4). Наибольшую долю составля-

ют тепловые ВЭР. Часто, говоря о ВЭР,

только их и имеют в виду.

В 1985 г. в СССР было утилизировано

около 0,7-10

Дж таких ВЭР — пример-

но половина того количества, которое

считается экономически целесообразно

использовать в настоящее время. В це-

лом же тепловых ВЭР много больше.

Тепловые ВЭР газовых потоков с вы-

сокой температурой (>400°С) и средней

(100—400 °С) обычно используются для

производства пара или подогрева воды

с помощью паровых или водогрейных

котлов-утилизаторов (см §19.5). Водо-

грейные котлы-утилизаторы предназна-

чены для подогрева воды, идущей на

теплофикацию жилых и промышленных

зданий. Конструктивно они представля-

ют собой систему труб, через которые

прокачивается сетевая вода, поэтому не-

редко водогрейные котлы-утилизаторы

называют утилизационными экономай-

зерами.

Широкое распространение в настоя-

щее время получили системы испари-

тельного охлаждения элементов высоко-

температурных печей. В печах многие

элементы приходится делать из метал-

ла — прежде всего это несущие и под-

держивающие балки, на них ложится

большая нагрузка, которую не выдержат

огнеупорные материалы. Практически

невозможно делать из огнеупоров и под-

вижные элементы, особенно те, которые

должны герметично закрываться, напри-

мер завалочные окна, шиберы, перекры-

вающие проходное сечение газоходов,

и т. д. Но металлы могут работать только

при умеренных температурах до 400—

600 °С, а температура в печи много вы-

ше.

Поэтому металлические элементы пе-

чей делают полыми и внутри них цирку-

лирует охлаждающая вода. Для исклю-

чения образования накипи и загрязнений

внутри охлаждаемых элементов вода до-

лжна быть специально подготовленной.

206

tttt

ни

ДымоВые газы

Рис.

24.5. Упрощенная схема котла-утилиза-

тора с системой испарительного охлаждения:

/ — питательный насос; 2 — водяной экономайзер;

3—испарительная поверхность котла; 4—бара-

бан котла; 5 — охлаждаемые элементы печи; 6 —

циркуляционный насос; 7

—

пароперегреватель

Кроме того, эту воду нужно охлаждать

или сбрасывать. И в том и в другом

случае происходит загрязнение окружа-

ющей среды.

Все эти недостатки исключаются, ес-

ли в охлаждаемые элементы печи подают

воду из контура циркуляции парового

котла-утилизатора (рис. 24.5). Охлажда-

емые элементы печи здесь выполняют

роль испарительной поверхности, в кото-

рой теплота уже не сбрасывается в окру-

жающую среду, а идет на выработку

пара. Питание котлов осуществляется

химически очищенной водой, поэтому на-

кипи и загрязнений внутри охлаждаемых

элементов не образуется и срок их служ-

бы в 1,5—3 раза больше, чем при охлаж-

дении необработанной проточной водой.

Система испарительного охлаждения

может работать и как самостоятельный

паровой котел, но мощность его будет

слишком малой. При комплексном под-

ходе к утилизации теплоты от газов и ох-

лаждаемых элементов конструкции печи

значительно сокращаются затраты на

вспомогательное оборудование, комму-

никации, обслуживание и т. д.

В ряде случаев удается использовать

теплоту раскаленных твердых продуктов.

На многих металлургических комбинатах

сейчас работают установки охлаждения

(технологи говорят «сухого тушения»)

кокса (УСТК), в которых охлаждается

кокс с температурой свыше 1000 °С, вы-

гружаемый из коксовых батарей. Особая

сложность этой установки состоит в том.

что кокс — горючий материал. Поэтому

для его охлаждения используют инерт-

ный азот, а всю установку герметизиру-

ют, по-возможности предотвращая утеч-

ки азота.

Раскаленный кокс в специальных ва-

гонах быстро (поскольку на воздухе он

горит) транспортируется от коксовой ба-

тареи и загружается в герметичную фор-

камеру / (рис. 24.6), затем поступает

в камеру тушения 2, в которой он снизу

вверх продувается инертным газом. За

счет постепенной выгрузки снизу кокс

плотным слоем движется сверху вниз

противотоком к охлаждающему газу.

В результате кокс охлаждается от

1000—1050 °С до 200—250 °С, а газ на-

гревается от 180—200 °С до 750—800 °С.

Через специальные отверстия 3 и пылео-

садительную камеру 4 газы попадают

в котел-утилизатор 5. В нем за счет ох-

лаждения 1т кокса получают примерно

0,5 т пара достаточно высоких парамет-

ров р = (3,9-f-4,0) МПа и

(440-j-

450) °С. После котла-утилизатора ох-

лажденный газ еще раз очищают от пы-

ли в циклоне 6 и вентилятором 7 вновь

направляют в камеру тушения под спе-

циальный рассекатель для равномерного

распределения по сечению камеры.

Сухой способ охлаждения по сравне-

нию с традиционным, когда раскаленный

Горячий

кокс

ПЫЛЬ

Рис.

24.6. Схема установки сухого тушения

кокса

207

горящий кокс действительно «тушат»,

поливая водой, позволяет не только по-

лучить дополнительную энергию (утили-

зировать ВЭР), но и повышает качество

кокса, уменьшает его потери за счет вы-

горания в процессе тушения, исключает

расход воды, а главное — позволяет из-

бежать загрязнения атмосферы паром

и коксовой пылью.

Аналогичные схемы утилизации теп-

лоты других твердых веществ можно ис-

пользовать только при достаточно боль-

шой производительности, иначе это бу-

дет экономически невыгодно по при-

чинам, указанным выше. Производитель-

ность УСТК по коксу составляет 50—

56 т/ч.

Наиболее сложно найти применение

низкопотенциальным тепловым ВЭР

(/<100°С). В последнее время их все

шире используют для отопления и кон-

диционирования промышленных и жи-

лых зданий, применяют тепловые насосы

для повышения температурного потенци-

ала или для получения холода. Непо-

средственно используют такие ВЭР толь-

ко на отопление близко расположенных

теплиц или рыбоводных хозяйств.

Очень остроумное решение для ис-

пользования низкопотенциальной тепло-

ты отходящих газов даже в бытовых

условиях было найдено Ф. Нансеном для

кухонного аппарата, который он

в 1895 г. применял во время своего по-

хода к Северному полюсу. После обогре-

ва сосуда для варки пищи (рис. 24.7)

дымовые газы направлялись в дополни-

тельные газоходы, где отдавали свою

теплоту таящему снегу. КПД этого аппа-

рата превышал 90 %, в то время как

у обычных газовых плит он менее 50 %.

В промышленных условиях охлажде-

ние дымовых газов до температур ниже

100 °С весьма затруднительно прежде

всего из-за конденсации водяных паров.

Холодные стенки труб, по которым цир-

кулирует нагреваемая среда, запотевают

и подвергаются интенсивной коррозии.

Конденсация водяных паров имела место

и в агрегате, изображенном на рис. 24.7,

но ввиду уникальности назначения его

можно было изготовить из дорогостоя-

щих материалов, не боящихся коррозии,

кроме того, действовал он периодически

и не долго.

Дымовые

газы

Рис.

24.7. Кухонный аппарат Фритьофа Нан-

сена:

/ — плоский сосуд для льда и снега; 2 — крышка

с отверстием; 3— наружный колпак; 4 — сосуд

для варки пищи; 5 — кольцеобразная емкость для

таяния льда и снега; 6 — подставка для кольце-

образной емкости; 7 — газокеросиновая горелка

«примус»

Промышленные подогреватели воз-

духа для исключения коррозии также

иногда изготавливают из некорродирую-

щихся стеклянных труб. Если нет вибра-

ции, такие трубы работают достаточно

долго.

Для подогрева воды низкотемпера-

турными газами (/<100°С) начинают

использовать контактные экономайзеры,

представляющие собой обычные смеси-

тельные теплообменники типа градирни

(см.

рис. 13.2). В них происходит нагрев

воды за счет теплоты контактирующих

с ней газов. Поверхность контакта ка-

пель воды с газом большая, и теплооб-

менник получается компактный и деше-

вый по сравнению с рекуперативным

(трубчатым), но вода насыщается вред-

ными веществами, содержащимися в ды-

мовых газах. В ряде случаев это до-

пустимо, например, для воды, идущей

в систему химводоподготовки в котель-

ных или на ТЭС. Если загрязнение воды

недопустимо, то ставят еще один теп-

лообменник, в котором «грязная» вода

отдает теплоту «чистой» и возвращается

в контактный экономайзер. Змеевики, по

которым циркулирует «чистая» вода,

можно установить и внутри контактного

экономайзера вместо насадки.

Контрольные вопросы

А.

Почему выгоднее использовать ВЭР

на нужды производства, чем на отопление?

24.2.

Можно ли с помощью рекуператив-

ного теплообменника осуществить регенера-

цию теплоты или для этого пригоден только

регенеративный теплообменник?

24.3.

Почему сложнее всего использовать

низкопотенциальные тепловые ВЭР?

РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧ И ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ

1.1. Можно.

1.2. Температура не изменится.

1.3. В стационарном неравновесном со-

стоянии.

2.1.

18,6 мин.

2.2.

2000

1000

1,26 кДж/(кг-К).

3.4. Предположим, что адиабаты пересе-

каются в точке с. Проведем между ними изо-

термический процесс ab, получим цикл abc,

в котором совершается работа (эквивалентная

заштрихованной площади) за счет охлажде-

ния одного источника теплоты, что противоре-

чит второму закону термодинамики.

2.3.

Не надо, так как Д(/ = 14 380 кДж,

a L = 5 кДж.

2.4. Согласно первому закону термодина-

мики подведенная теплота

= Дц + / или

Л7=с„

Д7"

+ /, откуда

Au/q = c„/c

1 /А =

0,7.

3.1.

Таким процессом является, например,

изотермическое расширение идеального газа,

находящегося в тепловом контакте с горячим

источником. Так как в этом процессе измене-

ние внутренней энергии равно нулю, то со-

гласно первому закону термодинамики, рабо-

та, совершенная при расширении газа, равна

количеству теплоты, переданной от горячего

источника. Таким образом, имеет место пол-

ное превращение теплоты в работу. Но это не

противоречит второму закону термодинамики,

который утверждает, что невозможен процесс,

единственным конечным результатом которого

будет превращение в работу теплоты, извле-

ченной от горячего источника. Действительно,

в конце изотермического процесса газ зани-

мает объем больше, чем он занимал вначале.

Изменение состояния газа и является компен-

сацией превращения теплоты в работу.

3.2.

т),

= 0,57.

3.3.

3.5.

Эксергия теплоты при температуре

1000 °С

^'ма«с

Ql(l

—

7*о/Т|) =

= 200 (1 -283/1273)= 155,5 кДж.

Эксергия теплоты при температуре 500 °С

M3KC

= 200 (1-283/773)= 126,8 кДж.

Таким образом, в результате перехода

200 кДж теплоты с высокого температурного

уровня (1000 °С) на более низкий (500°С)

работоспособность этого количества теплоты

уменьшилась на 28,7 кДж, на

(28,7/200)-100=14,35 %, несмотря на то

что вся теплота продуктов сгорания переда-

на пару.

4.1.

Кажущаяся молекулярная масса

смеси

+ 28-0,791 =28,9 кг/кмоль.

Плотность воздуха при нормальных физи-

ческих условиях

= р.

см

/22,4 = 28,9/22,4= 1,293 кг/м

209

Состав воздуха по массе

»о

^см

<?N„

И-см

°2~ 28,9

•

0,209

0,23;

•0,791=0,77.

= 0,81 X

Парциальные давления кислорода и азота

Рп

=г„

0,209-760= 159 мм рт.ст.;

/•

0,791 -760

601

мм рт.ст.

4.2.

Начальный объем воздуха

=RT

=287-283/(0,1

•

) = 0,81 м

/кг.

Из уравнения процесса конечный объем

Р\

Х0,1 • 10

/(1 • 10

)

0,081 м

/кг.

Работа, затрачиваемая на сжатие,

RT In (р,/р

)

287 • 283-In 0,1

= — 187 кДж/кг.

Количество теплоты, отводимой

от га-

за, равно работе сжатия, поэтому q

= — 187 кДж/кг.

4.3.

Чтобы найти изменение температуры,

рассмотрим столб воздуха высотой

dy с

по-

перечным сечением, равным единице. На ни-

жней поверхности этого столба давление рав-

но р,

на верхней оно составляет

pA-dp,

где

— изменение давления, вызванное весом

столба воздуха. Поскольку увеличение высоты

сопровождается уменьшением давления,

то

dp= —ogdy. Так как р=

/v = p/RT, то dp =

g Р

R Т

dy.

Для

адиабатного процесса

Т/р'

1,/t

const. Логарифмирование

диф-

ференцирование этого уравнения дает

dT _ к —

~Т к р '

После подстановки выражения для

получаем

dT _ fe-1 g

Ну ~~k ~R'

Полагая 4

1,4; #

287 Дж/(кг- К); g

= 9,81 м/с

, получаем

dT _ _

1,4

— 1

9,81

Ту \~А 287

•= -0,0098 К/м.

Наблюдаемое в действительности среднее сни-

жение температуры по высоте (1 К на каждые

200 м) несколько меньше вычисленного. Раз-

личие объясняется неучетом влажности воз-

духа. Когда при некоторой температуре воздух

окажется насыщенным влагой, то дальнейшее

понижение температуры приведет

конденса-

ции водяных паров и выделению теплоты кон-

денсации. По этой причине понижение темпе-

ратуры будет происходить медленнее, чем это

следует из расчета.

4.4.

политропном процессе

piV1 =

p2V

или 4- 10

V"= 10

(31Л)", откуда показатель

политропы п

\п 4/1п 3= 1,26.

Работа расширения

—!_ (р

-р

)

-10

• 3

—

- 9) = 1154 кДж.

1,26—1

Количество теплоты Q

n—k

-X

Х(7

—7,),

но

—

,) =

Д£/

— изме-

нение внутренней энергии газа, которое

по

первому закону термодинамики равно ДС

= Q

—

поэтому

п-к

Q = (Q-L)

,1,-1

откуда

Q = L

k — n

,,сл

1,4—1,26

-—-= 1154 —— —=404 кДж;

к—\ 1,4—1

—

404

—

1154= —750 кДж.

Работа расширения совершается газом за

счет сообщения ему теплоты и уменьшения его

внутренней энергии.

4.5.

По А, s-диаграмме находим, что пар

в конце расширения будет влажным со сте-

пенью сухости x

0,81.

Начальные парамет-

ры:

А, =3405 кДж/кг; у, =0,046 м

/кг.

Конечные параметры: А

2130 кДж/кг;

12,7 м

/кг.

Изменение внутренней энергии

Дц

= А

— hi —

—

piUi)

= 2130 —

— 3405

—

(0,1 - 10

• 12,7 — 80- 10

- 0,046)

= — 1034 кДж/кг.

5.1.

Абсолютное давление воздуха

воз-

духопроводе

р,

=0,2-10

^--10

= 1,21 -10

Па.

210