Колпаков Б.А., Лебедев Б.О. Техническая физика. Часть 1 - Теплофизические основы судовой энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

119

подводом теплоты и цикла Ренкина 5678. Подвод теплоты в цикле ГТД

осуществляется в процессе 2-3. Передача теплоты отработанных газов

происходит в процессе 4-4’. Теплота, определяемая площадью 4-4’-е-f, в

парогенераторе передаётся воде и водяному пару, которые получают её

в процессе 785. Отводится теплота в двух процессах - на участке 4’1 в

цикле ГТД и в процессе конденсации 6-7 цикла Ренкина.

Термический кпд комбинированной установки определяется по

следующей формуле

qgll

пдt

/)( +=

где

l - удельная работа газового цикла, определяемая по результатам

расчёта этого цикла;

l - удельная работа парового цикла;

q - подведён-

ная теплота в цикле ГТД;

- масса пара, приходящегося на 1 кг газа.

Соотношение масс газа и пара определяется из уравнения теплово-

го баланса в процессе передачи теплоты от газа воде и пару в утилиза-

ционном парогенераторе

)()(

р 7544

hhМТТМс

- ,

откуда

ТТс

ММg

)(

где М - массовый расход газа в цикле ГТД;

М - массовый расход пара

в цикле Ренкина;

7544

hhТТ

- температуры газа и удельные энтальпии

пара в соответствующих точках комбинированного цикла;

с - изобар-

ная теплоёмкость газа в цикле ГТД.

13 Циклы холодильных машин и тепловых

насосов

13.1 Циклы холодильных машин

Холодильные установки в морском, речном и рыбопромысловом

флотах применяются очень широко - на специализированных рефриже-

раторах и промысловых судах, а также практически на всех судах в про-

визионных камерах или в системах кондиционирования воздуха.

НГАВТ - Стр 121 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

120

Первыми были изобретены и применены воздушные холодильные

машины (ВХМ). Схема и термодинамический цикл в диаграммах p - v и

T - s такой машины представлены на рисунке 13.1 .

Рабочим телом в воздушной машине является воздух охлаждаемого

помещения. В компрессоре КМ воздух сжимается, в результате чего его

температура и давление возрастают. Горячий сжатый воздух затем по-

ступает в теплообменник ТО, где при постоянном давлении охлаждается

забортной водой или воздухом окружающей среды. Затем воздух в рас-

ширительной поршневой или лопаточной машине - детандере ДТ за-

ставляют расширяться до начального давления, в результате чего темпе-

ратура воздуха понижается ниже начальной.

На диаграммах изображены следующие процессы:

1-2 - адиабатное сжатие в КМ,

2-3 - изобарный отвод теплоты в ТО,

3-4 - адиабатное расширение в детандере ДТ,

4-1 - изобарный нагрев охлаждённого воздуха в помещении ОП.

Циклы, развивающиеся, в отличие от циклов тепловых двигателей,

в обратном направлении (против часовой стрелки на диаграммах), назы-

ваются обратными. Эффективность преобразования энергии в таких

циклах оценивается холодильным коэффициентом

, представляющим

собой отношение теплоты, переданной из охлаждаемого помещения

q ,

к работе цикла

l :

lq /

(13.1)

Рисунок 13.1

КМ

ТО

ДТ

Охлаждаемое

помещение

а)

б)

НГАВТ - Стр 122 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

121

Для воздушной холодильной машины удельная теплота, отведенная

из охлаждаемой среды, определяется на диаграмме Т - s площадью 41ав

и равна

)(

41140

TTcqq

-==

(13.2)

Работа цикла, характеризуемая на диаграммах площадью 1234,

равна

),()(

413201

TTcTTcqql

ppц

---=-= (13.3)

где

321 -

= qq - теплота, переданная в процессе 2-3 от рабочего тела

к охлаждающей среде в теплообменнике.

С учётом (13.2) и (13.3) холодильный коэффициент воздушной хо-

лодильной машины равен

)()(

4132

TTTT

---

(13.4)

Холодильный коэффициент может быть как меньше, так и больше

единицы. Для подавляющего большинства холодильных машин его

значение больше единицы.

В настоящее время ВХМ применяются редко, их вытеснили более

экономичные и малогабаритные парокомпрессорные холодильные ма-

шины (ПКХМ).

Схема такой машины представлена на рисунке 13.2.

В машинах этого типа рабочими веществами являются хладоны -

легкокипящие жидкости, температура кипения которых при атмосфер-

Рисунок 13.2

помещение

КМ

Охлаждаемое

ДК

КН

ИП

НГАВТ - Стр 123 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

122

ном давлении, как правило, ниже 0

С. В теплообменных процессах

здесь используются энергоёмкие процессы кипения и конденсации, что

позволило значительно снизить габариты и массу теплообменников.

ПКХМ состоит из компрессора КМ, конденсатора КН, дроссельного

клапана ДК и испарителя ИП.

Пар хладона, поступающий из испарителя, сжимается в компрессо-

ре и подаётся в конденсатор. Давление при этом создаётся таким, чтобы

оно было больше давления насыщения. В конденсаторе горячий сжатый

пар хладона охлаждается забортной водой или атмосферным воздухом и

конденсируется. К дроссельному клапану хладон поступает в жидкой

фазе. За дросселем с помощью компрессора создаётся область пони-

женного давления. Проходя через дроссель и находясь в испарителе,

жидкий хладон вскипает, так как давление здесь ниже давления насы-

щения. Чем ниже давление в испарителе, тем при более низкой темпера-

туре будет происходить процесс кипения. Теплота, необходимая для

этого процесса, передаётся из воздуха охлаждаемого помещения через

стенку испарителя.

На диаграмме Т - s :

1-2 - адиабатный процесс сжатия пара в компрессоре,

2-3 - изобарный процесс конденсации с отводом теплоты,

3-4 - изоэнтальпийный процесс дросселирования,

4-1 - изобарный процесс кипения хладона в испарителе.

Количество теплоты, переданной 1 кг хладона в процессе кипения

определяется пл.41ав и равно

410

hhq -= ; (13.5)

количество теплоты, переданной от 1 кг в конденсаторе, определяется

пл.23св и равно

321

hhq -= ; (13.6)

удельная работа цикла характеризуется пл.1234 и равна

hhl

-= ; (13.7)

холодильный коэффициент цикла равен

)/()()/(/

12410100

hhhhqqqlq

--=-==

(13.8)

13.2 Цикл теплового насоса

НГАВТ - Стр 124 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

123

Тепловые насосы (ТН) предназначены, главным образом, для ото-

пления помещений и используются в системах кондиционирования воз-

духа.

Схема теплового насоса показана на рисунке 13.3 Принципиально

она не отличается от схемы ПКХМ и содержит те же элементы: ком-

прессор КМ, конденсатор КН, испаритель ИП и дроссельный клапан ДК.

Различие между ТН и ПКХМ заключается в предназначении и темпера-

турных режимах работы установок.

Процесс парообразования рабочего тела в испарителе теплового

насоса происходит за счёт теплоты источника, имеющего относительно

низкую температуру (атмосферный воздух, вода незамерзающего водо-

ёма, геотермальная вода и пр.). Полученный пар направляется в ком-

прессор, где при сжатии температура хладона повышается до значений,

соответствующих условиям отопления помещений. Затем в конденсато-

ре пар, отдавая теплоту воздуху нагреваемого помещения или промежу-

точному теплоносителю (воде контура водяного отопления) переходит в

жидкое состояние. Образовавшийся конденсат дросселируется в клапане

ДК с понижением давления и температуры. При использовании одного

хладагента давления в испарителе и конденсаторе теплового насоса бует

выше чем в ПКХМ.

На рисунке в диаграмме T - s показаны два цикла: холодильной

машины - 1’2’3’4’ и теплового насоса - 1234. Если для первого цикла

атмосферная среда с температурой

Т является теплоприёмником, а

Рисунок 13.3

ДК

ИП

КМ

КН

НП

нп

оп

НГАВТ - Стр 125 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

124

теплоисточником является среда охлаждаемого помещения с температу-

рой

оп

Т , то в цикле теплового насоса роль холодного теплоисточника

выполняет атмосферная среда, а горячим теплоприёмником является

воздух нагреваемого помещения с температурой

нп

Т .

Показателем эффективности работы тепловых насосов является

отопительный коэффициент

, представляющий собой отношение

теплоты

q , переданной от рабочего тела в среду нагреваемого поме-

щения, к работе цикла

l :

)/()(/)(/

123201

1 hhhhllqlq

ццц

--=+=+==

(13.9)

Формула (13.9) говорит о том, что теоретический отопительный

коэффициент всегда больше единицы. Анализ циклов ТН показывает,

что величина отопительного коэффициента зависит от разности темпе-

ратур кипения и конденсации: с уменьшением её отопительный коэффи-

циент возрастает. При температуре холодного теплоисточника t=25-30

C и температуре воды в системе отопления t=80-85

C отопительный

коэффициент равен

=3-4. Это означает, что при затратах 1 кВт элек-

троэнергии на привод компрессора ТН, в систему отопления поступает

3-4 кВт теплоты.

НГАВТ - Стр 126 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

125

14 Анализ необратимых процессов и циклов

14.1 Условия анализа

При изучении обратимых процессов предполагалось, что термоди-

намическая система находится в равновесии, теплообмен между рабо-

чими телами и окружающей средой происходит при бесконечно малом

перепаде температур, и не учитывался такой важный фактор как - тре-

ние. В окружающем мире всё происходит иначе: температура воды в

батарее отопления на вполне реальное число градусов больше темпера-

туры воздуха в помещении, а в самом современном подшипнике всё же

существует трение, “съедающее” несколько процентов полезной энергии

НГАВТ - Стр 127 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

126

и превращающее её в теплоту, которая тут же рассеивается в окружаю-

щем воздухе.

Не следует забывать и о том, что механические виды энергии легко

и полностью преобразуются в теплоту, а при обратном преобразовании

существует запрет Карно, в соответствии с которым в работу можно

превратить только часть теплоты.

Приступая к анализу необратимых процессов, нельзя отбрасывать

стройную термодинамическую теорию обратимых процессов с её стро-

гими выводами и расчётными формулами.

Основные принципы анализа необратимых процессов следующие:

- так как главной задачей термодинамики тепловых двигателей яв-

ляется изучение рациональных путей преобразования теплоты в работу,

основное внимание будет уделено вопросу - как влияет необратимость

процессов на работоспособность термодинамических систем;

- как и при анализе обратимых процессов, здесь будут учитываться

особенности идеальных и реальных газов;

- поскольку необратимость проявляется в процессах, будут рас-

смотрены не отдельные рабочие тела (термодинамические системы), а

совокупность взаимодействующих тел (систем);

- при взаимодействии двух систем каждая из них будет рассмотре-

на как равновесная.

14.2 Частные необратимые процессы

Простейшим примером необратимого процесса является нагрев га-

за, находящегося в теплоизолированном сосуде, за счёт подвода теплоты

от горячего теплоносителя, протекающего по змеевику (рисунок 14.1,а).

Пусть температура греющего теплоносителя будет постоянной и

Рисунок 14.1

2 1

1-2

II I

а)

б)

НГАВТ - Стр 128 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

127

равной

Т , а температура газа в сосуде Т

меняется по законам изохор-

ного процесса от

Т до

Т . В диаграмме T - s (рисунок 14.1,б) процесс,

происходящий с нагреваемым газом, изображается изохорой 1-2.

Удельная теплота процесса определяется по формуле

),(

1221

TTcq

(14.1)

а изменение удельной энтропии газа составляет

)/ln(

121

TTcs

=D , (14.2)

где

с - изохорная теплоёмкость газа, находящегося в сосуде.

Изменение энтропии греющего теплоносителя, с учётом изотер-

мичности процесса передачи теплоты от этого тела, равна

112111

TTc

Tqs

)(

-==D

(14.3)

Знак “-” обусловлен тем, что греющий теплоноситель отдаёт тепло-

ту.

Изменение энтропии общей системы этих двух взаимодействую-

щих тел равно алгебраической сумме приращений энтропии:

12111

cTTcsss

vvc

-=D+D=D )/ln( (14.4)

Если в системе земной атмосферы, имеющей температуру

T , про-

исходит рассматриваемый процесс, то эксергия теплоты уменьшается по

закону Гюи-Стодолы на величину

sTex D×=D

(14.5)

Нетрудно убедиться, что при обратном теплообмене, когда газ, на-

ходящийся в сосуде, нагревает холодный теплоноситель, проходящий по

змеевику, энтропия системы также увеличивается, что приводит к

уменьшению эксергии, как и в первом случае.

На рисунке 14.2 показаны обратимые 1-2 и 3-4 адиабатные про-

цессы сжатия и расширения идеального газа.

Энтропия рабочего тела и окружающей среды в этих процессах не

изменяется, так как процессы протекают без теплообмена и без учёта

трения.

При наличии трения в процессе сжатия 1-2

работа, затраченная на

этот процесс (внешняя работа)

l частично передаётся рабочему телу в

НГАВТ - Стр 129 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта

128

количестве l , а частично тратится на трение, то есть превращается в

теплоту трения

тр

q .:

тр

qll +=

(14.6)

При необратимом

расширении газа (процесс

( )

43 - ,находящегося в

цилиндре, часть работы газа

расходуется на трение, а

часть передаётся потреби-

телю во внешнюю среду:

тр

qll +=

(14.7)

И в том, и в другом

случае энтропия рабочего

тела увеличивается, так как

и при сжатии, и при расши-

рении теплота трения воз-

никает в процессах, кото-

рые происходят в самом

рабочем теле. Изменение энтропии определяется по формулам

)/(),/(

Tqs Tqs

’

то4’-3

’

т’

òò

=D=D

В атмосферной среде с температурой

Т это изменение энтропии

приводит к снижению работоспособности системы, то есть к уменьше-

нию эксергии в соответствии с уравнением Гюи-Стодолы. Площади

dc и 34

mn под линиями необратимых процессов в диаграмме T - s

определяют собой теплоту трения. Теоретически часть этой теплоты

можно преобразовать в работу, но другая часть - анергия, определяемая

пл.авсd и пл.efmn не может быть превращена в работу в данной термо-

динамической системе ни при каких условиях. Здесь действует принцип

пословицы - что с воза упало, то - пропало.

При движении газа в каналах переменного сечения возникают яв-

ления, в силу которых часть механической энергии потока (кинетиче-

ской и потенциальной) превращается в теплоту. Это происходит из-за

трения и вихреобразования в потоке. В конечном итоге необратимые

n m

Рисунок 14.2

НГАВТ - Стр 130 из 239

Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта