Молодежникова Л.И. Технологические энергоносители промышленных предприятий. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

141

25 °С давление насыщенных паров фреона-13 составляет 3,62 МПа

абс.).

Для предотвращения от чрезмерного повышения давления в систе-

ме нижнего каскада применяют следующие методы.

1. Поддержание в конденсаторе нижней ветви низкого давления за

счет непрекращающейся цикличной работы верхней ветви каскада. Этот

метод требует повышенной надежности верхней ветви и связан с пере-

расходом электроэнергии

, когда потребителю не требуется холод.

2. Установка дополнительного сосуда повышенной прочности, в

который во время стоянки машины перепускают весь жидкий агент вы-

сокого давления. Но это требует очень надежной запорной арматуры,

отключающей этот сосуд, и связано с усложнением схемы, которая

должна обеспечить полную эвакуацию жидкости из всех остальных

участков системы.

Подключение к системе сосуда, называемого расширительной

емкостью, рассчитанного так, чтобы при остановке машины весь агент

высокого давления превратился в пар, давление которого при этом не

превысило бы расчетного давления всей остальной аппаратуры. Гро-

моздкость расширительной емкости окупается полностью гарантиро-

ванной защитой от высокого давления. Расширительные емкости боль-

ших размеров часто располагают

вне помещения.

Если бы в обеих ветвях каскада циркулировал один и тот же агент,

а температурный перепад в конденсаторе-испарителе Δt

КдИ

кн

-t

ов

(см.

рис. 7) был равен нулю (это возможно только при бесконечно большой

теплопередающей поверхности конденсатора-испарителя), то такая кас-

кадная машина была бы термодинамически эквивалентна двухступенча-

той. При разных агентах и Δt

КдИ

=0 холодильные коэффициенты теоре-

тических циклов каскадной и многоступенчатой машины близки друг

другу (если одинаковы t

и t

). При наличии же конечного перепада

температур в конденсаторе-испарителе (который обычно лежит в пре-

делах 5–10 °С) теоретический холодильный коэффициент каскадной

машины всегда меньше, чем у двухступенчатой. В действительном же

цикле каскадная машина чаще всего выгоднее двух- и трехступенчатой.

Это обусловлено следующими преимуществами работы с агентами вы-

сокого давления:

- из-за

малых удельных объемов всасываемого пара требуемый

теоретический объем компрессора мал;

- высокие значения абсолютных давлений всасывания;

- отношения давлений для данных диапазонов температур у аген-

тов высокого давления значительно меньше.

142

Из-за больших абсолютных значений давления и малых их отно-

шений объемные и энергетические коэффициенты компрессора повы-

шаются. Это приводит к дальнейшему уменьшению описанного объема

компрессора, снижению энергетических затрат и повышению эконо-

мичности установки.

6.5 Пароэжекторные холодильные машины

Вода как холодильный агент имеет ряд ценных свойств: высокая

теплота парообразования, безопасность, безвредность и дешевизна. На-

ряду с этим воде как хладагенту присущи и недостатки, делающие ее

непригодной для компрессионных установок: для получения низких

температур испарения требуется создавать очень низкие давления, ко-

торые нельзя получить при помощи обычного поршневого компрессора;

удельные объемы пара чрезвычайно велики, вследствие чего поршневой

компрессор, работающий на водяном паре, должен иметь огромные

размеры. Поэтому воду как хладагент в компрессионных установках не

применяют.

Однако развитие пароструйных эжекторов и указанные положи-

тельные качества воды привели к тому, что в начале текущего столетия

появились пароэжекторные холодильные установки. Эти установки

вследствие простоты, надежности и взрывобезопасности сначала полу-

чили большое распространение на военных кораблях для систем аэро-

рефрижерации (охлаждения пороховых погребов, снарядных и продо-

вольственных помещений). Пароэжекторные установки с успехом при-

меняются при кондиционировании воздуха, где они успешно конкури-

руют с компрессионными и абсорбционными установками, в металлур-

гии и других отраслях.

Схема пароэжекторной холодильной установки представлена на

рис. 9.

В испарителе смешивающего типа И эжектором ГКм создается ва-

куум. В испаритель поступают конденсат после дроссельного вентиля

РДВ и вода, циркулирующая в системе кондиционеров (Н-ПХ-РДВ) при

помощи насоса Н. Конденсат и вода в испарителе почти мгновенно час-

тично вскипают, охлаждаясь до температуры, соответствующей темпе-

ратуре насыщения пара при данном давлении (вакууме), и образуя U кг,

влажного пара. Охлажденная вода поступает к потребителям холода, а

пар из испарителя отсасывается эжектором. Для снижения подсоса воз-

духа устанавливаются вспомогательный эжектор и конденсатор.

143

Рис. 9 Схема и процесс работы на Т-s-диаграмме пароэжекторной холодильной ус-

тановки.

ГКм – главный эжектор; ГК – главный конденсатор; РДВ – дроссельный вентиль;

И – испаритель; ВК – вспомогательный конденсатор; ВЭ – вспомогательный эжек-

тор; КН – конденсационный насос; Н – насос; ПХ – потребитель холода

В сопло эжектора ГКм поступает рабочий пар, который обычно

имеет давление:

p = (3,93 – 5,89)·10

Па (4-6 кгс/см

Состояние этого пара на Т-s-диаграмме соответствует точке 1. Ра-

бочий пар расширяется в сопле по политропе до точки 2, соответст-

вующей давлению p

в испарителе. Давление в камере всасывания эжек-

тора р'

ниже давления в испарителе р

. При смешении двух потоков па-

ра вследствие значительных потерь на удар точка смеси сдвигается

вправо и процесс сжатия идет также не по адиабате, а по политропе 2-3.

В приемной камере также происходит некоторое дросселирование

эжектируемого пара (линия 6-10).

Смесь рабочего и сжимаемого пара после камеры смешения с па-

раметрами 2 (с учётом потерь на удар при смешении паров) поступает в

диффузор эжектора, где она расширяется и частично теряет скорость,

вследствие чего повышается давление, т. е. кинетическая энергия пара

частично переходит в потенциальную. При этом смесь паров сжимается

144

адиабатно от давления р

в испарителе до давления р

и поступает в

конденсатор.

Процесс сжатия в эжекторе изображается линией 2-3, процесс

конденсации паров – линией 3-4. Конденсат перепускается через регу-

лирующий вентиль. Процесс дросселирования изображается линией 4-

5.Затем часть идет в испаритель, а часть – насосом подается к потреби-

телю холода, нагревается 7-8 и дросселирует 8-9. Процесс испарения в

испарителе изображается линией 5-6 и 9-6.

Эжекторы холодильных установок отличаются от струйных ком-

прессоров – инжекторов для повышения давления пара только тем, что

вместо одного сопла они имеют обычно несколько сопел (от трех до

восьми), что делается для уменьшения размеров эжектора и улучшения

подсасывания больших объемов пара при относительно глубоком ва-

кууме.

Холодильный коэффициент пароэжекторной установки:

00 0

()

пж ж

рр к р к

Q Ghh hh

QGhh hh







где G

– количество пара, эжектируемого из испарителя, кг/с; G

–

количество рабочего пара, подаваемого к эжектору, кг/с; U – коэффи-

циент инжекции, кг/кг; h

и h

– энтальпии пара, эжектируемого из ис-

парителя, и рабочего пара, кДж/кг; h

, h

– энтальпия жидкости в испа-

рителе и конденсата, кДж/кг.

В ряде случаев отношение (h

–h

)/(h

–h

) незначительно отличает-

ся от единицы и холодильный коэффициент ε

численно равен коэффи-

циенту инжекции U.

С целью уменьшения расхода пара на эжекторы необходимо, что-

бы они работали по возможности с небольшими степенями сжатия, осо-

бенно это относится к основным или главным эжекторам, холодильной

установки. Необходимо, чтобы отношение давления в основном кон-

денсаторе к давлению в испарителе было не выше 5–6, т. е. р

/р

<5-6

или равно этому значению. Давление в испарителе задается температу-

рой холодного агента t

, а давление в конденсаторе определяется темпе-

ратурой охлаждающей воды t

, так как температура конденсирующего

пара t

+Δt.

Достоинствами пароэжекторных холодильных установок являют-

ся их взрывобезопасность, отсутствие вредных выделений, простота из-

готовления, а недостатком – большой расход охлаждающей воды в кон-

денсаторе, который вызыван тем, что, кроме пара, являющегося холо-

дильным агентом, необходимо еще конденсировать рабочий пар, подво-

димый к эжектору. Пароэжекторные установки могут конкурировать с

другими типами холодильных установок только в том случае, если тре-

145

буется охлаждение не ниже чем 1,7–2 °С, например в установках для

кондиционирования воздуха производственных и жилых зданий.

В заключение следует добавить, что вода является не единствен-

ным рабочим телом для пароэжекторных холодильных установок, име-

ются предложения использовать и другие холодильные агенты, напри-

мер фреон-113 (С

СI

), которые могут расширить рациональную об-

ласть применения пароэжекторных установок.

6.6 Вихревые трубы

Для получения охлажденного до –10–60 °С и нагретого до

+50–100 °C потоков газа в ряде случаев применяют вихревой эффект

(эффект Ранка–Хильша), открытый в 1933 г.

Рис. 10 Схема вихревой трубы.

а – продольный разрез; б – поперечный разрез по сопловому сечению; к –

кольцевая щель; с-с- сопловое сечение; x-x – холодный конец; г – г – горячий конец.

Разработаны различные схемы вихревых установок. Основной ча-

стью их является труба, в которой осуществляется вихревой процесс

температурного разделения газа. Вихревая труба работает следующим

образом. Сжатый газ (рис. 10) подается к соплам 2, расширяется в них и

со скоростью 200–400 м/с вводится тангенциально в гладко-

стенную трубу 1. В трубе газ приобретает сложное винтовое

движение,

характеризующееся наличием больших тангенциальных и осевых ско-

ростей. Внешние слои газа V

благодаря центробежному эффекту и на-

личию торцевого кольцевого канала по выходе из сопла движутся к ре-

гулирующему вентилю 3, а внутренние слои V

, образующиеся из V

благодаря переходу некоторого количества динамической энергии за-

крученного потока в статическую (в торцевом канале у клапана), пере-

мещаются в обратном направлении к диафрагме 4.

В сопловом сечении трубы с-с устанавливается самая низкая тер-

модинамическая (статическая) температура, значение которой опреде-

146

ляется скоростью истечения газа из сопла С

. Внутренние слои V

, вы-

ходящие из диафрагмы, имеют меньшую скорость, чем С

и поэтому

при торможении приобретают более низкую по отношению к исходно-

му газу температуру торможения t

, а выходящие через вентиль 3 –

повышенную t

На рис. 11 представлена температурная характеристика вихревой

трубы:

Рис.11 Характеристика вихревой трубы (по данным В.М. Бродянского и

А.В. Мартынова): 1 – обычная вихревая труба; 2 – неадиабатная труба

Величина охлаждения Δt

= t

–

одного потока, так же как и вели-

чина нагрева Δt

= t

– t

другого потока, зависит от дли регулируемого

клапаном 3 холодного потока μ = С

/С

Характеристика по холодному газу обычной вихревой трубы (кри-

вая 1) имеет максимум при малых значениях μ = 0,2–0,4. Малые значе-

ния μ существенно уменьшают холодопроизводительность вихревой

трубы. С увеличением μ для этих труб Δt

резко уменьшается и при

μ =1

равняется нулю. Характеризующая горячий поток величина Δt

возрас-

тает по мере увеличения μ.

Вода, подаваемая в охлаждаемую рубашку (показанную пунктиром

на рис. 9), позволяет понизить температуру газа при μ =1. Для воздуха

при тех же условиях при μ = 1 величина Δt

составляет примерно 30 °С

(кривая 2 на рис. 10).

Вихревые трубы, чрезвычайно простые по конструкции и надеж-

ные в работе, целесообразно применять в тех случаях, когда их не-

147

высокая термодинамическая эффективность не является определяющим

фактором. К таким случаям относятся кратковременная работа, полу-

чение холода в малых количествах, наличие даровых природных источ-

ников сжатого газа (природный и отбросный газы и т. п.).

В качестве примеров можно привести использование вихревой

трубы для создания микрохолодильных установок и различного рода

вихревых приборов (термостатов, гигрометров и т. п.).

6.7 Абсорбционные холодильные машины

Основным преимуществом абсорбционных холодильных установок

по сравнению с компрессионными является использование для выра-

ботки холода тепловой энергии низкого и среднего потенциалов, в то

время как в компрессионных холодильных установках для выработки

холода используется электрическая или механическая энергия.

Абсорбцией называется процесс поглощения пара одного вещества

другим (жидким) веществом – абсорбентом; при этом температура аб-

сорбируемого пара может быть ниже температуры абсорбента. Процесс

абсорбции может протекать только при концентрации пара, равной или

большей равновесной концентрации абсорбируемого пара над абсор-

бентом.

Для создания холодильного цикла в абсорбционной холодильной

установке жидкие абсорбенты должны с достаточной скоростью погло-

щать хладоагент и при одинаковых давлениях температура кипения их

должна быть значительно выше температуры кипения хладоагента.

Требования к бинарной смеси, применяемой для абсорбционных

холодильных установок, в отношении воздействия ее на металлы, по-

жарной безопасности, санитарии и гигиены не отличаются от требова-

ний, вообще предъявляемых к хладоагентам.

Наибольшее применение получили водоаммиачные абсорбцион-

ные установки, в которых аммиак является хладоагентом, а вода – по-

глотителем-абсорбентом. Аммиак активно абсорбируется водой; при

0 °С в единице объема воды растворяется до 1 148 объемов парообраз-

ного аммиака. Поглощение или абсорбция жидкого аммиака в воде со-

провождается значительным выделением тепла (около 800 кДж

(190 ккал) на 1 кг аммиака). Еще большее количество тепла выделяется

при растворении в воде паров аммиака, так как при этом происходит

выделение теплоты парообразования, в среднем равной 1 260 кДж/кг

(300 ккал/кг).

148

Выработка холода в абсорбционной установке производится по

схеме, изображенной на рис. 11.

Рис.12 Схема простейшей одноступенчатой абсорбционной холодильной ус-

тановки и теоретический процесс в ней (баланс) на Т-s- диаграмме.

I-

генератор; II – конденсатор; III – регулирующий вентиль; IV – испаритель;

V – абсорбер; VI – перепускной вентиль; VII – перекачивающий насос.

В генераторе I за счет подогрева происходит разгонка аммиачного

раствора, в результате чего отгоняется легкокипящий компонент – ам-

миачный пар с незначительной примесью паров воды. Вследствие этого

содержание аммиака в растворе может уменьшаться, если его непре-

рывно не пополнят, за счет подачи в генератор крепкого концентриро-

ванного раствора. Полученный в генераторе аммиачный пар поступает в

конденсатор II, там конденсируется, далее дросселируется в регули-

рующем вентиле III и поступает в испаритель IV, где происходит испа-

рение его за счет тепла, подводимого охлаждаемым хладоносителем

(рассолом). Испарившийся аммиак поступает в абсорбер V, где он по-

глощается слабым водным раствором, подаваемым из генератора. Так

как абсорбция (поглощение) аммиака слабым раствором сопровождает-

ся выделением тепла, то для возможности непрерывного протекания

процесса тепло абсорбции необходимо отводить охлаждающей водой.

В результате абсорбции получается крепкий водоаммиачный раствор,

который насосом VII перекачивается в генератор, а взамен его из гене-

ратора через перепускной вентиль VI в абсорбер поступает слабый рас-

твор.

Сравнивая принципиальные схемы компрессионной и абсорбци-

онной установок, можно отметить, что кипятильник (генератор) в аб-

сорбционной установке заменяет нагнетательную сторону поршневого

149

компрессора, а абсорбер – его всасывающую сторону. Если пренебречь

небольшим расходом энергии для перекачивания крепкого раствора из

абсорбера в генератор, сжатие происходит без затраты механической

энергии.

Тепловой коэффициент абсорбционной холодильной установки:

где q

– тепло, подведённое к испарителю, кДж/кг; q

– тепло, под-

ведённое к генератору, кДж/кг;

С термодинамической точки зрения идеальная абсорбционная хо-

лодильная установка может рассматриваться как состоящая из трёх ре-

зервуаров. В первый резервуар (генератор) поступает тепло q

(пл. 1-2-

3-4-1 на Т-s-диаграмме) при наивысшей температуре T

; во второй ре-

зервуар (испаритель) вводится тепло q

(пл. 4-5-6-7-4) при наинизшей

температуре Т

; из третьего резервуара (конденсатора и абсорбера) от-

водится тепло (пл. 1-8-9-7-1) при температуре охлаждающей воды Т

эквивалентное сумме рассмотренных площадок, т. е.

= q

где q

– тепло, отведённое в конденсаторе, кДж/кг; q

– тепло, от-

ведённое в абсорбере, кДж/кг.

Согласно рис.8:

Δs

+ Δs

= Δs

+ Δs

Заменяя Δs = q|T и имея в виду (q

+ q

)/Т

=(q

+ q

)/Т

, получаем

вв

 ,

тогда



или

0·





























Гв

ТТ

1111

откуда тепловой коэффициент идеального цикла абсорбционной

установки:

Гв

ТТ

TТ





Как видно из этого выражения, тепловой коэффициент идеального

цикла абсорбционной установки растёт с повышением температуры ге-

нерации Т

и температуры испарения Т

и падает с повышением темпе-

ратуры охлаждения, т. е. температуры конденсации и абсорбции Т

150

Коэффициент идеального компрессионного цикла ε

всегда боль-

ше холодильного коэффициента идеального абсорбционного цикла ε

так как отношение ε

/ ε

всегда больше единицы:

Гв

ТТ











Эти коэффициенты могут быть равны только при бесконечно

большой температуре генерации Т

или при температуре охлаждения Т

равной 0 К (т. е. – 273 °С). Однако такое сравнение не является право-

мерным, так как оно не учитывает вида затраченной энергии. В ком-

прессионной установке затрачивается электрическая или механическая

энергия, а в абсорбционной – тепло.

Сравнение двух методов получения холода следует производить

по величине приведённого холодильного коэффициента:

пр

= q

где q

– расход тепла.

Расчёты показывают, что в большинстве практических случаев

приведённый тепловой коэффициент компрессионной холодильной ус-

тановки оказывается меньше приведённого коэффициента абсорбцион-

ной установки.

Области применения абсорбционных холодильных установок.

Термохимические холодильные установки имеют значительные

перспективы применения в условиях теплофикации городов и промыш-

ленных предприятий. Водоаммиачные абсорбционные холодильные ус-

тановки целесообразно применять в следующих случаях:

а) если возможно получение холода на базе использования тепла

отходящих дымовых газов;

б) если требуются низкие температуры хладоагента (от –30 до

–60 °С;

в) если холод требуется в отдалённых пунктах, где нет или недос-

таточно электроэнергии;

г) если можно использовать горячую воду из конденсатора холо-

дильной установки для каких-либо бытовых или технологических це-

лей; это возможно, например, в мясной или молочной отраслях про-

мышленности, требующих большое количество горячей воды. В этих

случаях может оказаться, что для комплексного получения холода и го-

рячей воды потребуются меньшие затраты тепла на абсорбционную ус-

тановку, чем для приготовления только одной горячей воды.