Злобин В.Г., Горбай С.В., Короткова Т.Ю. Техническая термодинамика. Часть 2. Водяной пар. Циклы теплосиловых установок

71

Из конденсатора конденсат хладоагента проходит через дроссельное

устройство, в котором происходит его дросселирование с понижением дав-

ления от

1

p до

2

p (линия mN).При этом конденсат переходит в смесь пара и

жидкости со степенью сухости

1

x и температурой

2н

t . С подводом теплоты

2

q в морозильной камере степень сухости хладоагента увеличивается с

1

x до

2

x , и затем хладоагент всасывается в компрессор в состоянии точки с.

x

=1

x=0

x

2

д

р

о

с

.

x

1

Рис.6.4. Действительный цикл холодильной машины в диаграмме T-S:

линия c-b – адиабатный процесс сжатия в компрессоре;

линия b-n – изобарный процесс охлаждения в конденсаторе (снятие теплоты перегрева па-

ра);

линия n-m – изобарно-изотермический процесс конденсации пара

6.3. Тепловая диаграмма T-S действительного холодильного цикла

Пунктирная линия

N

m



- условный процесс дросселирования среды

в дросселе (

const

h



). Поскольку в результате дросселирования энтальпия

рабочего тела не меняется, то площадь E-m-m′-E′ равна площади E-N-N′-E′

(при отсчете

h

от точки Е).

На пути

c

N



влажный пар отнимает от охлаждаемых тел в моро-

зильной камере количество теплоты:

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

72

Nc2

h-hb'-N'-c-N.плq



. (6.2)

Теплота, отданная теплоносителем в конденсаторе:

mb21

h-hm'-b'-m-n-b.плlqq







. (6.3)

Следовательно, работа, затрачиваемая за один цикл равна:

cb21

hhqql









. (6.4)

Если бы в установке вместо дросселя был бы детандер, то процесс

расширения в нем шел бы по адиабате

K

m



, и

2

q в этом случае

'm'bcK.плq

2





, а при дросселировании 'N'bcN.пл'q

2





. Таким об-

разом, введение дросселя приводит к потере холодопроизводительности ус-

тановки, равной 'm'NNK.плqqq

12











.

6.4. Цикл воздушной холодильной машины

Глубокое охлаждение тел и связанные с этим многие процессы осно-

вываются на применении воздушных холодильных машин, получивших на-

звание детандеров - академика Капицы и холодильных машин Линде.

Принцип работы детандеров Капицы основывается на глубоком рас-

ширении сжатого до высокого давления и охлажденного воздуха, а машин

Линде – на ступенчатом сжатии и дросселировании охлажденного воздуха.

Рассмотрим принципиальную схему и термодинамический цикл ма-

шины Капицы (рис.6.5).

Установка состоит из компрессора К, охладителя Охл, детандера Д,

электродвигателя ЭД. Компрессор всасывает воздух из атмосферы в состоя-

нии точки 1 при

0

p и

0

T , сжимает его адиабатически до состояния точки 2

(до

2

p и

2

T ). Затем сжатый до высокого давления воздух поступает в охла-

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

73

дитель, где при постоянном давлении

2

p охлаждается до начальной темпера-

туры

0

T .

Рис.6.5. Принципиальная схема и термодинамический цикл воздушной

холодильной машины

Далее сжатый и охлажденный воздух поступает в детандер, где адиа-

батически расширяется до атмосферного давления. При этом его температура

уменьшится до

01

TT



. После детандера среда поступает в атмосферу, где

при constp

0



нагревается за счет теплоты атмосферы до начальной темпе-

ратуры

0

T .

Рассмотрим такой пример:

Пусть компрессор всасывает воздух из атмосферы при давлении

1,0p

0



МПа и температуре K283T

0



. В компрессоре воздух сжимается до

8p

2



МПа и затем охлаждается с

2

T до K283T

0



. Далее сжатый и охлаж-

денный воздух поступает в детандер, где адиабатически расширяется до дав-

ления

0

p .

Определим температуру воздуха после детандера:

1

0

k

1k

0

2

T

p

















, где

4

,

1

k



и 286,0

k

1k





.

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

74

Откуда

K6,81

47,3

283

80

283

1,0

8

T

286,0286,0

0

1

















.

Следовательно,

C4,1916,81273t

1











.

В конце адиабатического расширения температура воздуха достигнет

минус 191,4ºС.

6.5. Абсорбционные холодильные установки

В отличие от парокомпрессионных холодильных машин, в которых

перенос теплоты от холодного источника к горячему осуществляется за счет

подвода работы от постороннего источника, в абсорбционных холодильных

установках перенос теплоты осуществляется за счет подвода теплоты от по-

стороннего источника.

Однако принцип переноса теплоты от более холодного тела к горяче-

му (окружающей среде) существенно отличает абсорбционные установки от

всех рассмотренных ранее.

В воздушных и парокомпрессионных холодильных машинах сжатие

холодильного агента осуществляется путем механического компримирова-

ния. В абсорбционной холодильной установке повышение давления холо-

дильного агента осуществляется путем термохимической компрессии, на что

расходуется теплота от постороннего источника с температурой выше темпе-

ратуры окружающей среды.

Рабочим веществом в таких установках является бинарный раствор,

т.е. раствор двух веществ, полностью растворимых в друг друге с резко раз-

личными температурами кипения.

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

75

Вещество с низкой температурой кипения выполняет функцию холо-

дильного агента, а вещество с более высокой температурой кипения - функ-

цию абсорбента.

Как известно, температура кипения бинарного раствора при данном

давлении зависит от концентрации раствора.

Фазовая диаграмма состояния бинарного раствора имеет следующий

вид (см. рис.6.6).

Здесь:

С

- концентрация холодильного агента;

'

С

- концентрация абсорбента.

% 100

MM

M

C

21

1





 , (6.5)

% 100

MM

M

'C

21

2





 , (6.6)

где

1

M и

2

M - массы веществ, входящих в раствор;

t

- температура.

Точка 1 представляет собой температуру кипения чистого абсорбента,

точка 2 - температуру кипения (насыщения) холодильного агента.

Пограничные кривые

1

-

b

-

2

-

a

1



изображают равновесные состоя-

ния двухфазной системы жидкость-пар. Нижняя ветвь кривой

2

a

1



соот-

ветствует состояниям жидкой фазы (кипящий раствор). Верхняя ветвь

2

b

1



- газообразной фазе (сухой пар, начало конденсации пара).

Если точка А на нижней кривой соответствует состоянию кипящего

раствора с концентрацией

A

С , то состояние пара, находящегося с ним в рав-

новесии, соответствует точке

B

.

Как следует из диаграммы, образующийся из раствора пар имеет кон-

центрацию

B

C выше, чем исходный кипящий раствор.

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

76

Следовательно, если в системе с температурой

1

t будет получаться

пар с концентрацией

1B

C (точка

1

B ), то он будет находиться в динамическом

равновесии с кипящим раствором только при концентрации

1A

C (точка

1

A ).

вода

аммиак

Рис.6.6. Фазовая диаграмма водоаммиачного бинарного раствора

При концентрациях растворов

1A2

CC



пар при состоянии в точке

1

B

с температурой

1

t будет переохлажден и поэтому сразу начнет конденсиро-

ваться в растворе. Следствием этого будет полное поглощение пара жидко-

стью, т.е. абсорбция пара. При этом теплота конденсации будет отводиться

при температуре жидкости

2

t , более высокой, чем температура пара

1

t .

В результате этого будет происходить переход теплоты от тела с

меньшей температурой (пар высокой концентрации) к телу более нагретому

(жидкость низкой концентрации).

В соответствии со вторым началом термодинамики, этот процесс дол-

жен сопровождаться некоторым компенсирующим процессом. Таким ком-

пенсирующим процессом является переход определенного количества тепло-

ты от более высокой температуры, чем

2

t к более низкой, т.е. передача неко-

торого количества теплоты окружающей среде.

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

77

6.6. Принципиальная схема абсорбционной холодильной установки

В кипятильнике 1 (рис.6.7) находится бинарный раствор с концентра-

цией

1

С , который при выбранном давлении

2

p будет кипеть при температу-

ре

2

t . При подводе теплоты

г

q при температуре

2г

tt



в кипятильнике би-

нарный раствор закипит, и из него будет выделяться сухой насыщенный пар

аммиака с концентрацией

11

C'C



, давлением

2

p и температурой

2

t . Пар из

кипятильника поступает в конденсатор 2, где полностью конденсируется и

отдает теплоту

2

q охлаждающей воде. Жидкий аммиак из конденсатора при

давлении

2

p и температуре

2

t проходит через дроссель 3, его температура и

давление уменьшаются до

1

p и

1

t , и влажный насыщенный пар аммиака по-

ступает в морозильную камеру, где он осушается в изобарно-изотермическом

процессе и отнимает от охлаждаемых тел количество теплоты

x1

qq



. Далее

аммиак с температурой

1

t поступает в абсорбер, в котором находится слабо

концентрированный раствор, сливаемый из кипятильника через дроссель 7. В

абсорбере 5 поддерживается давление

21

pp



и температура

2

t . При контак-

те теплого бинарного раствора с

2

tt



с холодным аммиаком с

21

C'C



и

12

tt



, в абсорбере происходит интенсивное поглощение аммиака бинарным

раствором (абсорбция) и повышение концентрации раствора. Затем этот би-

нарный раствор из абсорбера насосом 6 перекачивается в кипятильник. В ди-

намике концентрация в кипятильнике выдерживается постоянной.

Эффективность абсорбционной холодильной установки характеризу-

ется коэффициентом использования теплоты:

 





















0гг

x

2г

10

0г

г

1

г

x

г

2

TTq

STT

1

TT

T-T

T

q





. (6.7)

Между коэффициентом использования теплоты и действительным хо-

лодильным коэффициентом существует связь:

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

78

t

г

0г

T

T-T



 . (6.8)

Максимальный коэффициент использования теплоты получится при

0

S

x





:





 

10г

0г1

макс

T-TT

TTT







. (6.9)

1

КИП

p

2

,t

2

q

k

2

p

2

,t

2

3

p

2

7

q

x

p

1

,t

1

p

1

4

q

г

,t

г

5

АБС

6

q

а

Рис.6.7. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины

6.7. Цикл пароэжекторной холодильной установки

В пароэжекторных холодильных установках сжатие паров холодиль-

ного агента осуществляется в пароструйном компрессоре.

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

79

Рабочим паром для него является пар самого холодильного агента,

только более высокого давления. Этот рабочий пар получается в паровом

котле за счет затраты теплоты, полученной при сжигании топлива. Принци-

пиальная схема пароэжекторной установки изображена на рис.6.8.

Работа пароэжекторной установки (рис.6.8) происходит следующим

образом. Пар холодильного агента из испарителя 1 поступает с низким дав-

лением

2

p в смесительную камеру парового эжектора 2. К соплу эжектора

подводится пар холодильного агента более высокого давления

1

p , который

получается в паровом котле 3.

Проходя через сопло эжектора, рабочий пар расширяется с понижени-

ем давления до

2

p . Образующаяся в сопле струя при входе в смесительную

камеру эжектора имеет большую скорость. За счет кинетической энергии

струи и сил вязкости происходит подсос паров, поступивших в смесительную

камеру из испарителя 1. После этого смесь паров поступает в диффузор

эжектора, где происходит повышение её давления до

3

p . Далее смесь посту-

пает в конденсатор 4, где конденсируется и отдает теплоту перегрева и паро-

образования охлаждающей воде.

5

4

1

q

2

3

6

Рис.6.8. Принципиальная схема пароэжекторной холодильной машины

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

80

За конденсатором поток разветвляется. Одна его часть дросселируется

в редукционном вентиле 5 до давления

2

p и вновь поступает в испаритель.

Другая часть подается питательным насосом 6 при давлении

1

p в паровой

котел, где образуется пар того же давления, поступающий затем к соплу

эжектора. Таким образом, необходимая для сжатия холодильного агента

энергия доставляется рабочим паром, который в свою очередь получает её в

паровом котле, в котором сжигается топливо. Следовательно, пароэжектор-

ная холодильная установка действует за счет затраты теплоты, а не работы.

Теоретический цикл пароэжекторной установки в

S

-

T

диаграмме

(рис.6.9) изображается следующим образом.

Линия 1-2 соответствует изобарно-изотермическому процессу паро-

образования в испарителе, линия 3-4 – адиабатическому расширению рабоче-

го пара в сопле эжектора. Точка 5 дает параметры смеси после смешения ра-

бочего пара (точка 4) и холодильного агента (точка 2). Линия 5-6 соответст-

вует повышению давления смеси в диффузоре, линия 6-7 – охлаждению и

конденсации смеси в конденсаторе (изобарно-изотермический процесс). Ли-

ния 7-1 – соответствует дросселированию жидкого холодильного агента в ре-

дукционном вентиле, а линия 7-8 и 8-3 – нагреву жидкости в котле и превра-

щению её в пар, поступающий затем к соплу эжектора.

Количество теплоты, подводимое к 1 кг холодильного агента в испа-

рителе 1 (отбираемое от охлаждаемых тел),

2

q измеряется площадью

1 - 1' - 2' - 2 - 1 .плq

2



.

Теплота, затрачиваемая на осуществление цикла извне, отнесенная к 1

кг рабочего пара

1

q , измеряется площадью 7 - 7' - 3' - 3 - 8 - 7 .плq

1



. По-

скольку количество холодильного агента и рабочего пара в цикле различны,

описанный график является до некоторой степени условным.

Если количество рабочего пара, необходимое для получения 1 кг сме-

си при промежуточном давлении

3

p , составляет

m

кг, то количество его,

приходящееся на 1 кг холодильного агента, поступающего в испаритель, бу-

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Злобин В.Г., Горбай С.В., Короткова Т.Ю. Техническая термодинамика. Часть 2. Водяной пар. Циклы теплосиловых установок

Подождите немного. Документ загружается.