ХМ СОБРАНЫЕ. 1. Обратные термодинамические циклы, их внутренняя и внешняя необратимости

• Название: 1. Обратные термодинамические циклы, их внутренняя и внешняя необратимости
• Анкор: ХМ СОБРАНЫЕ
• Дата: 20.11.2022
• Размер: 2.41 Mb.
• Имя файла: ХМ СОБРАНЫЕ.doc
• Тип: Документы; #802347
• страница: 1 из 10

1. Обратные термодинамические циклы, их внутренняя и внешняя необратимости.

Есть 3 вида циклов: холодильный, теплового насоса, комбинированный. В этих циклах проходят процессы сжатия, расширения, подвода теплоты, отвода теплоты.

Холодильный цикл.

Холодильная машина, работающая по холодильному циклу, служит для снижения или поддержания низкой температуры каких-либо сред или объектов. В этом случае теплота от ИНТ передается к окружающей среде. Общий принцип передачи теплоты и цикл 1-2-3-4 такой холодильной машины показан на рисунке.



В процессе 1-2 холодильный агент сжимается и к нему подводится работа сжатия. В процессе 2-3 от холодильного агента теплота отводится и передается в окружающую среду. В процессе 3-4 холодильный агент расширяется в расширительном устройстве (детандере) с совершением полезной работы расширения. В процессе 4-1 к хладагенту подводится теплота от ИНТ (удельная холодопроизводительность цикла).

Цикл теплового насоса.

Холодильная машина, работающая по циклу теплового насоса, служит для нагрева каких-либо сред или тел, т.е. для теплоснабжения (динамическое отопления). При этом холодильный агент передает теплоту от окружающей среды к источнику высокой температуры.

Общий принцип передачи теплоты и цикл 5-6-7-8 такой холодильной машины показан на рисунке.



В процессе 5-6 холодильный агент сжимается и к нему подводится работа сжатия. В процессе 6-7 от холодильного агента теплота отводится и передается к ИВТ. Далее холодильный агент расширяется в расширительном устройстве (детандере) в процессе 7-8 с совершением полезной работы расширения. В процессе 8-5 к хладагенту подводится теплота от окружающей среды.

Комбинированный цикл.

Холодильная машина, работающая по комбинированному циклу, предназначена для одновременного охлаждения источника низкой температуры и нагрева источника высокой температуры. В этом случае хладагент передает теплоту от ИНТ сразу к ИВТ без теплообмена с окружающей средой. Общий принцип передачи теплоты и цикл 9-10-11-12 такой холодильной машины показан на рисунке.


В процессе 9-10 холодильный агент сжимается и к нему подводится работа сжатия. В процессе 10-11 от холодильного агента теплота отводится и передается к ИВТ. Далее холодильный агент расширяется в расширительном устройстве (детандере) в процессе 11-12 с совершением полезной работы расширения. В процессе 12-9 к хладагенту подводится теплота от ИНТ.

Все теоретические циклы холодильных машин обратимы и протекают без потерь. В реальных циклах имеют место необратимые потери, связанные с наличием разности температур в теплообменных аппаратах, с дросселированием, с гидравлическими сопротивлениями в трубопроводах и т.д. В цикле холодильной машины процессы могут быть обратимыми и необратимыми.

Процесс называется обратимым, если после его завершения, тела, принимавшие в нем участие, могут быть возвращены в первоначальное состояние без дополнительных изменений. Если по завершении процесса тела, принимающие в нем участие, невозможно вернуть в первоначальное состояние без дополнительных изменений, то такой процесс является необратимым.

Для установления источников необратимых потерь необратимости процессов разделяются на внутренние и внешние.

Внутренне обратимым процессом называется процесс, в котором отсутствуют потери внутри рабочего вещества, т.е. нет трения, диффузии, смешивания потоков, химической реакции и т.п.

Внешне обратимым процессом называется процесс, в котором отсутствуют потери между холодильным агентом и внешним источником. Если в процессе имеет место конечная разность температур между хладагентом и внешней средой, взаимный массообмен и другие внешние необратимые потери, то такой процесс является внешне необратимым.

На практике возможны различные комбинации внутренней и внешней необратимости процессов. 1. процессы внутренне и внешне обратимые;2. процессы внутренне обратимые, но внешне необратимые;3. процессы внутренне необратимые, но внешне обратимые;4. процессы как внутренне, так и внешне необратимые.

В действительных холодильных машинах все без исключения процессы относятся к четвертой группе, т.е. они как внутренне, так и внешне необратимы.

Основными необратимыми потерями циклов в реальных холодильных машинах являются потери:

1) от разности температур между холодильным агентом и источником низкой температуры;

2) от разности температур между холодильным агентом и окружающей средой;

3) при дросселировании.

.
2 РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

К рабочим веществам холодильных машин относятся хладагенты и хладоносители.

Хладагент – рабочее вещество, которое совершает обратный термодинамический цикл, циркулируя по системе. Хладоносители являются промежуточными рабочими веществами, которые передают теплоту от охлаждаемой среды к хладагенту.

К рабочим веществам можно отнести и смазочные масла, так как они циркулируют вместе с хладагентом по системе и значительно влияют на рабочие характеристики холодильных машин.

В настоящее время известно около ста различных хладагентов. Самыми распространенными из них являются воздух, вода, аммиак, диоксид углерода, чистые углеводороды (пропан, метан, изобутан и т.п.), хлор, фтор, бромпроизводные углеводороды и другие вещества. В некоторых машинах целесообразно применять изоэнтропные и неизоэнтропные смеси хладагентов. У изоэнтропных смесей хладонов при постоянном давлении температура кипения постоянна. У неизоэнтропных смесей при постоянном давлении температура кипения изменяется.

Возможность применения того или иного хладагента в той или иной холодильной машине определяется его термодинамическими, теплофизическими, физико-химическими, физиологическими и экологическими свойствами.

К термодинамическим свойствам относятся нормальная температура кипения, давление насыщения при температуре 30 °С, критическая температура, температура замерзания, теплота парообразования и др. Они характеризуют термодинамические параметры цикла, удельную холодопроизводительность, работу цикла, теплоту конденсации и т.д.

Теплофизические свойства – это теплоемкость (С), теплопроводность (λ), вязкость (μ), плотность (ρ), температуропроводность (а), поверхностное натяжение (η) и т.д. Они главным образом влияют на интенсивность теплообмена в аппаратах, на потери давления в системе и на массу и габариты компрессоров.

Физико-химические свойства включают в себя термическую стабильность, взрывоопасность, воспламеняемость, электрические свойства, взаимодействие со смазочным маслом, водой и конструкционными материалами и т.д.

Физиологические свойства показывают степень воздействия хладагентов на живой организм. В 1976 году были установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) наиболее распространенных хладагентов. Превышение ПДК в воздухе вызывает отрицательное воздействие на организм человека.

Экологические свойства показывают степень воздействия хладагентов на озоновый слой и возникновение парникового эффекта.

По агрегатному состоянию хладоносители бывают твердые (лед), жидкие и газообразные (воздух).

В холодильных установках крупных холодильников промышленности и торговли в качестве хладоносителя используют в основном рассолы – водные растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция CaCl₂. CaCl₂ предпочтительнее из-за более низкой температуры замерзания и меньшей коррозионной активности, однако он дороже, чем NaCl. Для снижения коррозионной активности в рассолы добавляют ингибиторы, например, кальтозин. Для специальных целей, где требуется хладоноситель с особо низкой температурой, используют этиленгликоль, трихлорэтилен или дихлорметан. Однако их стоимость значительно выше стоимости рассолов.

3 . Схемы, циклы и расчет циклов одноступенчатых холодильных машин.

Схемы и циклы одноступенчатых паровых компрессионных холодильных машин.

Схема и цикл с расширением и сжатием в области влажного пара.

А Б В

Рисунок 5.1.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием и расширением в области влажного пара.(цикл Карно)

Цикл осуществляется в ХМ, состоящей из КМ, КД, Д и И (см.рисунок 5.1.). Влажный пар х.а. т.1 выходит из И и поступает на всасывание в КМ. В КМ влажный пар адиабатически сжимается при S=const в процессе 1 – 2 от Р_о до Р_к. Причем точка 2, характеризующая состояние х.а. в конце сжатия, лежит на правой пограничной кривой. Для осуществления процесса сжатия затрачивается l_сж. После КМ сжатый насыщенный пар направляется в КД, где конденсируется Т_к =const и Р_к =const в процессе 2 – 3 за счет теплообмена с внешней охлаждающей средой (водой или воздухом). При этом от х.а. отводится теплота конденсации q_к. В процессе конденсации образуется насыщенная жидкость, которая затем поступает в Д. В Д х.а. адиабатически расширяется в процессе 3 - 4 от Р_к до Р_о при S=const с совершением полезной работы расширения l_р. После Д х.а. направляется в И, где жидкость кипит (испаряется) при Т_О =const и Р_о =const в процессе 4 - 1, отнимая теплоту q_о от охлаждаемой среды. Образовавшийся при кипении влажный пар всасывается КМ и цикл повторяется вновь.

Удельная хол-ность цикла или количество теплоты, подведенной к 1 кг х.а. в И q_о в S - T-диаграмме: q_o = Пл.14аб1 = h₁ – h₄.

Удельная теплота конденсации q_к в S - T- диаграмме:

q_к= Пл.23аб2 = h₂ – h₃.

Удельная работа цикла l_ц находится из теплового баланса холодильной машины:

q_к = l_ц + q_о

Отсюда получем:

l_ц = q_к – q_о= Пл.23аб2 – Пл.14аб1 = Пл.12341.

Таким образом, удельная работа цикла равна разности теплоты, подведенной в КД и теплоты, отведенной в И и в S - T- диаграмме эквивалентна площади самого цикла 12341.

С другой стороны с учетом энтальпий холодильного агента

l_ц = q_к – q_о = (h₂ – h₃) – (h₁ – h₄= (h₂ – h₁) – (h₃ – h₄) = l_сж - l_р,),

где l_сж = (h2 – h1) – удельная работа сжатия, т.е. работа, затраченная на сжатие 1 кг пара х.а. в процессе 1-2, Дж/кг; l_р = (h3 – h4) – удельная работа расширения, т.е. полезная работа, полученная в детандере одним кг х.а. в процессе 3-4, Дж/кг.

Термодинамическая эффективность цикла находится как отношение удельной холодопроизводительности к затраченной работе цикла:

.

Данный цикл можно рассматривать как теоретический цикл Карно при условии, что температура конденсации T_к =T_ос, а температура кипения холодильного агента в И будет равна температуре охлаждаемой среды (источника низкой температуры) Т_инт. При этом все процессы цикла будут обратимыми, а работа цикла будет минимальной l_min.

Термодинамическая эффективность цикла Карно оценивается теоретическим холодильным коэффициентом. который является самым высоким из всех обратных термодинамических циклов при одинаковой разнице температур (Т_ос – Т_инт).



Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара.

В
действительных промышленных холодильных установках цикл с расширением в Д практически не применяется. Вместо Д в реальных холодильных машинах используется дроссельное устройство т.к. Д представляет собой сложный дорогостоящий механизм по конструкции напоминающий КМ с обратным принципом действия. На преодоление сил трения в нем расходуется часть полученной полезной работы при расширении холодильного агента. В связи с этим действительная полученная работа расширения оказывается пренебрежимо малой по сравнению с затраченной работой сжатия. Она является существенной только в очень крупных холодильных установках.

Рис 5.2 Схема и цикл с дросселированием и сжатием влажного пара

Кроме того из-за сложности конструкции Д является ненадежным, требующим постоянного обслуживания. И наоборот в качестве дроссельных устройств используются очень простые и дешевые приспособления (вентиль, шайба, капилярная трубка и др.). Они значительно надежней в работе и практически не требуют специального обслуживания. Однако замена Д дроссельным устройством приводит к двум видам необратимых потерь цикла (см. рисунок 5.3).



Рис.5.3.Схема и цикл одноступенчатой холодильной машины с сжатием в области влажного пара и дросселированием.

Во-первых заметно уменьшается удельная хол-ность цикла q_о, т.к. процесс дросселирования сопровождается необратимыми потерями и протекает при постоянной энтропии (процесс 3-4) в отличие от адиабатического процесса расширения 3-4, т.е.

q_о2 = (h₁ – h_4)  q_о1 = (h₁ – h₄)

Во вторых теряется полезная работа расширения, получаемая в Д

l_р = h₃ – h_4 = 0,

тогда работа такого цикла будет равна:

l_ц2 = l_c = h₂ – h₁ < l_ц1.

Холодильный коэффициент цикла с дросселированием намного меньше, чем цикла с расширением в детандере



Схема и цикл с перегревом пара и переохлаждением жидкого холодильного агента перед дросселированием.

Для увеличения хол-ности действительных холодильных машин поддерживается режим, при котором в И выкипает весь жидкий х.а. Для гарантированного исключения попадания жидкости в КМ всегда пар х.а. перед всасыванием перегревается. В холодильных установках предприятий массового питания для сжатия пара как правило применяются поршневые КМ. Попадание даже небольшого количества жидкости в полость цилиндров может вызвать гидравлический удар и аварию всей ХМ, так как жидкость практически не сжимаема. Поэтому «сухой ход» – это обязательное условие работы КМ ХМ. Кроме того с целью снижения необратимых потерь при дросселировании в реальных ХМ жидкий х.а. перед дроссельным устройством охлаждается. Это повышает удельную хол-ность цикла и холодильной установки в целом. Перегрев пара перед всасыванием в КМ осуществляется или во всасывающем трубопроводе, или в самом И, или в специальном аппарате – РТ. Охлажение жидкого х.а. перед дросселированием может происходить или в специальном переохладителе, или КД, или также в РТ. В малых хладоновых ХМ торговли и общественного питания как правило используется РТ. Схема и цикл холодильной машины с РТ показаны на рисунке 5.4.


Рисунок 5.4 – Схема и цикл холодильной машины с регенеративным теплообменником.

После И насыщенный пар х.а. состояния т.1′ направляется в РТ, где перегревается в процессе 1′ - 1″ за счет теплообмена с теплым жидким х.а., идущим из КД. Перегретый пар всасывается КМ, в котором адиабатически сжимается в процессе 1″ - 2″ от Р_о до Р_к. При этом его температура повышается. Сжатый горячий пар подается в КД. где сначала охлаждается до температуры насыщения, а затем конденсируется в общем процессе 2″ - 3′. Образовавшаяся в процессе конденсации жидкость поступает в РТ, в котором охлаждается в процессе 3′ - 3″ за счет теплообмена с холодным паром, выходящим из И. Охлажденный жидкий хладагент дросселируется в процессе 3″ - 4″ от Р_к до Р_о. После дросселирования х.а. поступает в И, где жидкость кипит в процессе 4″ - 1′, отводя теплоту от охлаждаемой среды. Пар, образовавшийся при кипении, перегревается в РТ, всасывается КМ и цикл повторяется вновь.

Удельная холодопроизводительность цикла:

q_о3 = h_1′ - h_4″.

Удельная работа циклаl_ц3 = h_2″ - h_1″.

Массовый расход холодильного агента



где - Q_о – полная тепловая нагрузка испарителя (полная хол-ность ХМ).

Объемный расход хладагента V_а = G_а∙х∙ν_вс,

где ν_вс – удельный объем всасываемого пара холодильного агента, м³/кг.

Теоретическая потребляемая мощность компрессором

N_т = l_ц3∙G_а.

Холодильный коэффициент цикла



Степень перегрева пара перед всасыванием в КМ и охлаждения жидкости перед дросселированием зависит от вида рабочего вещества и конкретных условий работы ХМ. Так например для аммиачных машин при среднетемпературном режиме перегрев принимается Δt_вс = (5 – 10)С, для хладоновых Δt_вс = (10 – 30)С. В аммиачных ХМ РТ не применяется из-за его низкой эффективности. Поэтому в таких машинах имеет место незначительное охлаждение жидкости перед дросселированием Δt_охл = (3 –5)С. В хладоновых особенно малых машинах РТ обязателен не только для охлаждения, но и для возврата в КМ масла высокой концентрации (выпаривания жидкого х.а. из маслохладонового раствора). В этом случае состояние жидкого х.а. перед дросселированием определяется из теплового баланса регенеративного теплообменника, который имеет вид:

q_под = q_отв,

где q_под – количество подведенной теплоты от теплого жидкого х.а., Дж/кг;

q_под = h_3' - h_3",

где q_отв – количество отведенной теплоты от холодного пара после И, Дж/кг;

q_отв = h_1" – h_1'.

h_3' – h_3'' = h_1'' – h_1'

Отсюда находится энтальпия жидкого х.а. после РТ h_3":

h_3" = h_3' – (h_1" – h_1').