Термодинамика. Терм. Техническая термодинамика
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
9.9. Ц ИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК Охлаждение тел до температур ниже температуры окружающей среды осуществляется с помощью ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК, работающих по обратному тепловому циклу. Подобно теплосиловой установке холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего тела и устройство, в котором происходит расширение рабочего тела (рабочие тела холодильных установок называют ХЛАДАГЕНТАМИ); расширение рабочего тела может происходить с совершением полезной работы и без совершения ее, т.е. принципиально необратимо. Машины, применяемые для охлаждения рабочего тела в процессе его расширения с совершением работы, называют ДЕТАНДЕРАМИ. Понижение температуры будет достигнуто в том случае, когда расширение происходит адиабатно. Поэтому детандеры снабжаются тщательной теплоизоляцией, с тем, чтобы процесс расширения был по возможности близок к адиабатному. Детандеры подразделяются на поршневые и турбинные. Принципиальная схема поршневого детандера сходна со схемой поршневого двигателя, а схема турбодетандера – со схемой турбины. 213 Для характеристики эффективности цикла холодильной установки применяется холодильный коэффициент 2 2 1 2 ε q q l q q = = − , (9.34) где 1 q – теплота, отдаваемая более нагретому телу, 2 q – теплота, отбираемая от тела с меньшей температурой, l – работа, подведенная в цикл. Чем выше значение ε, тем более эффективен цикл холодильной установки и тем меньшую работу нужно затратить, чтобы отвести от охлаждаемого тела одно и то же количество теплоты 2 q . Все величины отнесены к 1 кг рабочего тела цикла. Одной из основных характеристик теплосиловых установок является мощность установки. Холодильные установки характеризуются ХЛАДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ – количеством теплоты, отбираемой от охлаждаемого объекта в единицу времени. Обычно хладопроизводительность измеряется в кДж/ч (или в Вт). Рис. 9.41. Цикл Карно холодильной установки Цикл идеальной холодильной установки является обратным обратимым циклом Карно. В этом цикле, осуществляемом между горячим источником с температурой 1 T и холодным источником с температурой 2 T , сжатый 3 4 1 2 S T 1 T 2 T 1 q 2 q S ∆ 214 хладагент, состояние которого на T–S диаграмме (рис. 9.41) изображается точкой 1, обратимо расширяется по адиабате 1–2, производя работу (например, перемещая поршень). Температура хладагента в процессе адиабатного расширения понижается от 1 T до 2 T Затем осуществляется изотермическое расширение хладагента (по изотерме 2 T =const) , в процессе 2–3, где к хладагенту подводится от холодного источника теплота 2 2 q T S = ∆ (9.35) По достижении точки 3 осуществляется адиабатное сжатие хладагента с повышением его температуры от 2 T до температуры 1 T Затем осуществляется изотермический ( 1 T =const) процесс отвода теплоты от хладагента к верхнему источнику теплоты: 1 1 q T S = ∆ . (9.36) За счет отвода теплоты удельный объем хладагента уменьшается, и хладагент возвращается в исходное состояние 1. Поскольку 1 2 1 2 l q q ( T T )( S ) = − = − ∆ , (9.37) то из уравнений (9.35) и (9.36) получаем для холодильного коэффициента Карно 2 2 1 2 1 2 ε T S T T S T S T T ∆ = = ∆ − ∆ − (9.38) Холодильные установки по виду хладагентов делятся на две основные группы: 1) газовые холодильные установки, в которых хладагент – воздух – находится в состоянии, далеком от линии насыщения; 2) паровые холодильные установки, в которых в качестве хладагентов используются пары различных веществ. 215 Паровые холодильные установки подразделяются на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные. Отдельную группу составляют термоэлектрические холодильные установки, в которых отсутствует хладагент. 9.9.1. Цикл воздушной холодильной установки Схема воздушной холодильной установки приведена на рис. 9.42. Рис. 9.42. Схема воздушной холодильной установки Хладагент (воздух) расширяется в детандере 1 от давления 1 p до давления 2 p , совершая работу отдаваемую детандером внешнему потребителю. Воздух, охлажденный в результате процесса адиабатного расширения в детандере от температуры 1 T до температуры 2 T , поступает в охлаждаемый объем 2, из которого он отбирает теплоту. Процесс передачи теплоты от охлаждаемого объема к воздуху происходит при постоянном давлении воздуха. Отвод теплоты из охлаждаемого объема возможен только в том случае, если температура воздуха в течение всего изобарного процесса отбора теплоты будет меньше, чем температура охлаждаемого объема. В принципе температура воздуха 3 T на выходе из охлаждаемого объема может сравняться с температурой охлаждаемых тел; на практике она же всегда немного ниже этой температуры. По выходе из охлаждаемого объема воздух направляется в компрессор 3, где его давление повышается от 2 p до 1 p (при этом температура возрастает от 3 T до 4 T ). Сжатый воздух поступает в охладитель 4. Охладитель 1 2 4 3 2 q 1 q 1 1 ,T p 2 2 ,T p 4 1 ,T p 3 2 ,T p 216 представляет собой теплообменник поверхностного типа, в котором температура воздуха снижается вследствие отдачи теплоты охлаждающей воде циркулирующей через охладитель. Цикл воздушной холодильной установки в T–S диаграмме представлен на рис. 9.43. Если считать воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, то теплота 2 q , полученная воздухом из охлаждаемого объема в изобарном процессе 2–3, равна: 2 3 2 p q c ( T T ) = − , (9.39) а теплота, отдаваемая воздухом охлаждающей воде в охладителе в изобарном процессе 4–1, равна: 1 4 1 p q c ( T T ) = − (9.40) Рис. 9.43. T, s-диаграмма цикла воздушной холодильной установки: 1–2 – процесс адиабатного расширения воздуха в детандере; 2–3 – изобарный процесс отвода тепла из охлаждаемого объема; 3–4 – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; 4–1 – изобарный процесс в охладителе Холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки равен: 3 2 2 4 1 1 2 4 1 3 2 3 2 1 ε 1 T T q T T q q ( T T ) ( T T ) T T − = = = − − − − − − − (9.41) 2 1 4 3 S const p = 1 const p = 2 2 q 1 q Т 4 T 1 T 3 T 2 T 217 Для адиабатных процессов 1-2 и 3-4 используя уравнение const pV = γ в виде γ γ γ γ γ 1 RT R T pV p const p p − = = = (9.42) или γ 1 γ T const p − = , (9.43) можно записать γ 1 γ 4 1 3 2 T p T p − = и 1 1 1 2 2 T p T p γ− γ = (9.44) Следовательно 4 1 3 2 T T T T = (9.45) Тогда 4 4 1 4 1 1 3 2 2 3 2 2 1 1 T T T T T T T T T T T T − − = = − − , (9.46) так как 2 3 1 4 T T T T = Тогда холодильный коэффициент 1 1 1 2 2 1 1 ε 1 1 T p T p γ− γ = = − − (9.47) Он зависит только от отношения давлений. Рассматриваемый цикл называется циклом Лоренца. Такие установки не получили широкого распространения ввиду малого значения холодильного коэффициента при больших перепадах давления и сложности конструкции. 218 9.9.2. Цикл парокомпрессионной холодильной установки Осуществить в установке подвод и отвод тепла по изотермам удается в том случае, если в качестве хладагента используется влажный пар легкокипящей жидкости, т.е. жидкости, у которой температура кипения при атмосферном давлении меньше температуры окружающей среды ( 20 ≤ t C o ). Схема холодильной установки представлена на рис. 9.44, а Т–S диаграмма на рис. 9.45. Рис. 9.44. Схема парокомпрессионной холодильной установки Рис. 9.45. Т–S диаграмма цикла парокомпрессионной холодильной установки Сжатый адиабатно в компрессоре 3 до давления 1 p влажный пар поступает в охладитель (конденсатор) 4, где за счет отдачи теплоты охлаждающей воде происходит конденсация пара по изобаре-изотерме 4–1. Из конденсатора выходит жидкость в состоянии насыщения, соответствующем точке 1 на T, s-диаграмме. 1 2 3 4 1 1 ,T p 2 2 ,T p 1 1 ,T p 2 2 ,T p 1 q 2 q 2 3 4 К 1 T 2 T Т S 2’ 219 Вместо процесса расширения с отдачей внешней работы в детандере, в данной установке используется процесс расширения без отдачи внешней работы, т.е. процесс дросселирования, который сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества. Для этого жидкость при температуре 1 T направляется в дроссельный вентиль 1, где дросселируется до давления 2 p Из вентиля выходит влажный пар при температуре 2 T с малой степенью сухости. Необратимый процесс дросселирования в вентиле условно изображен на диаграмме линией 1–2 (если вместо дросильного вентиля применять детандер, то вместо процесса 1–2 был бы процесс 1–2΄). Затем пар направляется в помещенный в охлаждаемом объеме испаритель 2, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемых тел, содержащаяся во влажном паре жидкость испаряется. Изобарно-изотермический процесс подвода теплоты к хладагенту в испарителе от охлаждаемого объема изображается линией 2–3. Из испарителя пар высокой степени сухости направляется в компрессор, где он адиабатно сжимается от давления 2 p до давления 1 p (линия 3–4), в результате степень сухости пара возрастает. Затем пар направляется в конденсатор 4, и цикл замыкается. Такого рода установка называется парокомпрессионной, т.к. в ней сжатие влажного пара осуществляется с помощью компрессора. КПД холодильного цикла парокомпрессионной установки выше, чем у воздушной холодильной установки. Следовательно, парокомпрессионная установка при малом интервале температур более совершенна, чем воздушная холодильная установка. Основные требования, предъявляемые к хладагентам парокомпрессионных установок: 1) интервал температур, в котором осуществляется цикл, должен лежать между критической и тройной точками этого вещества; 2) необходимо чтобы в этом интервале температур давление было не слишком низким и не слишком высоким. 220 9.9.3. Пароэжекторная холодильная установка Производство искусственного холода с помощью пароэжекторных машин осуществляется с затратой тепловой энергии. Рабочим веществом и одновременно теплоносителем может быть вода. Принципиальная схема пароэжекторной установки приведена на рис. 9.46. Рис. 9.46. Схема пароэжекторной холодильной установки Охлаждение воды в испарителе достигается в процессе кипения воды под вакуумом (абсолютное давление кипения составляет несколько миллиметров ртутного столба). При столь низких давлениях температура кипения воды составляет 5–8 °С. Основными частями являются паровой котел 1, эжектор 2, испаритель 3, конденсатор 4, насос 5, дроссельный вентиль 6. Эжектор состоит из сопла, камеры смешения и диффузора. При работе пароэжекторной холодильной машины в паровом котле вырабатывается пар, за счет подведенной извне теплоты, который поступает в камеру сжижения эжектора. Сюда же поступает пар из испарителя. При истечении пара в эжекторе потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую, и давление в камере смешения и в испарителе понижается. В расширяющейся части диффузора вследствие снижения скорости движения пара происходит сжатие смеси до давления в конденсаторе. В конденсаторе пар охлаждается водой и конденсируется. 1 2 4 6 5 3 2 q 1 q 221 При выходе из конденсатора вода разделяется на два потока: часть ее подается в испаритель через дроссельный вентиль, где происходит падение давления и температуры, а основное количество с помощью насоса перекачивается в паровой котел для выработки рабочего пара. Пароэжекторные холодильные машины применяются для охлаждения воды в различных производствах и в установках кондиционирования воздуха. Машины изготовляются холодопроизводительностью от 300 тыс. до 2 млн Вт. Диаграмма цикла пароэжекторной холодильной установки приведена на рис. 9.47. Рис. 9.47. T – S диаграмма цикла пароэжекторной холодильной установки Здесь цикл можно условно представить в виде двух циклов: цикл совершаемый паром в контуре котел – эжектор – конденсатор и в контуре дроссельный вентиль – испаритель – эжектор – конденсатор – дроссельный вентиль. Для цикла, совершаемого в контуре котел – эжектор – конденсатор – котел: I–II – процесс повышения давления воды в насосе; II–III–IV – процесс подвода теплоты в котле по изобаре; IV–V – процесс расширения пара в сопле эжектора. Пар расширяется в сопле до определенного давления (точка V) и смешивается с паром того же давления, поступившим в эжектор из испарителя (точка 2). В результате получается пар промежуточной степени влажности T I II III IV V 3 2 A 1 S 222 (точка А). А–3 – повышение давления обоих потоков пара в диффузоре эжектора; 3–I – процессу конденсации этого пара в конденсаторе установки. Для контура дроссельный вентиль – испаритель – эжектор – конденсатор – дроссельный вентиль I–1 – процесс адиабатного дросселирования воды; 1–2 – изобарно-изотермический процесс подвода тепла в испарителе; 2–А– смешение с паром предыдущего контура (точка А). Затем процессы А–3 и 3–I. Поскольку в цикле установки работа извне не подводится, а используется теплота, подводимая в котле, то эффективность цикла такой установки характеризуется коэффициент теплоиспользования (холодильным коэффициентом): 2 1 ε q q = , (9.48) где 2 q – теплота, отводимая в охлаждаемом объеме, а 1 q – теплота, подводимая в котле. 9.9.4. Абсорбционная холодильная установка Температура кипения бинарного раствора при постоянном давлении зависит от состава раствора: она будет тем выше, чем больше доля компонента с более высокой температурой кипения. При этом пар, получающийся при кипении, будет обладать иным составом, чем находящийся с ним в равновесии раствор; пар будет боле богат низко кипящим компонентом. В установке (рис. 9.48) используется эффект абсорбции пара жидким раствором аммиака в воде, который обладает свойством поглощать пар раствора одного состава жидким раствором другого состава даже в том случае, когда температура жидкости выше температуры пара. В качестве хладагента применяют влажный пар аммиака. 223 Рис. 9.48. Схема абсорбционной холодильной установки Жидкий насыщенный аммиак дросселируясь в редукционном вентиле 1, охлаждается от температуры 1 T до температуры 2 T . Затем влажный пар аммиака поступает в испаритель 2, где степень сухости пара увеличивается за счет притока теплоты 2 q от охлаждаемого объема. Сухой насыщенный пар аммиака при температуре поступает в абсорбер 3, куда подается также раствор аммиака в воде через вентиль 7. Этот раствор абсорбирует пар аммиака; теплота абсорбции, выделяющаяся при этом, отводится охлаждающей водой. Концентрация аммиака в растворе увеличивается. С помощью насоса 4 раствор подается в генератор аммиачного пара 5, где за счет теплоты подводимой от внешнего источника, происходит испарение раствора. Выделяющийся при этом пар, более богатый аммиаком, чем раствор, из которого он получается, поступает в конденсатор 6, где конденсируется и жидкий аммиак в состоянии насыщения направляется в редукционный вентиль 1. Из парогенератора 5 выходит обедненный аммиаком раствор, который дросселируется в редукционном вентиле 7 (температура раствора практически не меняется) и затем поступает в абсорбер 3, где обогащается аммиаком. Коэффициент теплоиспользования абсорбционной установки определяется: 2 1 ε q q = , (9.49) 3 6 1 2 7 5 4 1 T 2 T 2 q 1 q 224 где 2 q – теплота, отводимая из охлаждаемого объема, а 1 q – теплота, подводимая в генераторе аммиачного пара. 9.9.5. Цикл термоэлектрической холодильной установки Термоэлектрический метод охлаждения основан на использовании эффекта Пельтье. Сущность этого эффекта заключается в том, что если в термоэлектрической цепи, состоящий из двух разнородных материалов (металлы, полупроводники), пропускается ток от внешнего источника, то один из спаев цепи поглощает теплоту, а другой ее выделяет (рис. 9.49). Если поместить спай, поглощающий теплоту, в охлаждаемый объем (температура спая 2 T ), а спай, выделяющий теплоту, в область более высокой температуры ( 1 T ), то получается термоэлектрическая холодильная установка. Рис. 9.49. Схема термоэлектрической холодильной установки: 1, 2 – разнородные металлы; 3 – источник постоянного тока Цикл термоэлектрической холодильной установки представляет собой обратный цикл Карно, т. к. отвод теплоты из охлаждаемого объема происходит при постоянной температуре 2 T , а отдача теплоты горячему источнику – также при постоянной температуре 1 T Холодильный коэффициент такой установки равен: 2 1 2 ε T T T = − (9.50) 1 T 2 T 3 1 2 225 Применение полупроводниковых термоэлементов позволяет получить значение ε на 1–2 порядка больше, чем в случае металлических термоэлементов. В действительности работа термоэлектрической холодильной установки сопровождается необратимыми потерями двух типов: во-первых, распространение тока по проводнику сопровождается неизбежными джоулевыми потерями и, во-вторых, по проводникам, из которых составлена цепь, непрерывно перетекает теплота от горячего спая к холодному за счет теплопроводности. Термоэлектрические холодильные установки термодинамически весьма несовершенны. Однако благодаря простоте устройства и надежности в работе они получили определенное распространение в качестве небольших холодильных установок, которые используются в космической технике. 226 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Базаров И.П. Заблуждения и ошибки в термодинамике / И.П. Базаров. ‒ М. : Едиториал УРСС, 2003. ‒ 120 с. 2. Базаров И.П. Термодинамика / И.П. Базаров. – СПБ. : издательство «Лань», 5-е изд., 2010. ‒ 384 с. 3. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика: учеб. пособие. В 3 т. Т.1. Теория равновесных систем: Термодинамика / И.А. Квасников. ‒ 2-е изд. М. : Едиториал УРСС, 2002. ‒ 240 с. 4. Кириллин В.А. Техническая термодинамика для вузов / В.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. ‒ 5-е изд., перераб. и доп. ‒ М. : Издательский дом МЭИ, 2008. ‒ 496 с. 5. Корн Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. ‒ М. : Наука, 1968. ‒ 720 с. 6. Кубо Р. Термодинамика / Р. Кубо. ‒ М. : Мир, 1970. ‒ 304 с. 7. Кудинов В.А. Техническая термодинамика: учеб. пособие для втузов / В.А. Кудинов, Э.М. Карташов. – 5-е изд., стер. – М. : Высш. шк., 2007. ‒ 261 с. 8. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.1. Механика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. ‒ 5-е изд. М. : Физматлит, 2002. ‒ 224 с. 9. Ландау Л.Д. Теоретическая физика: учеб. пособие. В 10 т. Т.5. Статистическая физика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. ‒ 5-е изд. М. : Физматлит, 2002. ‒ 616 с. 10. Полинг Л. Общая химия / Л. Полинг. ‒ М. : Мир, 1974. ‒ 846 с. 11. Радушкевич Л.В. Курс термодинамики / Л.В. Радушкевич. М. : Просвещение, 1971. ‒ 288 с. 12. Термодинамика: Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин / Отв. ред. И.И. Новиков. ‒ М. : Наука, 1984. Учебное электронное текстовое издание Николаев Герман Петрович Лойко Арнольд Эрлихович ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Редактор Я.О. Смирнова Компьютерная верстка А.А. Гоглачева Подготовка к публикации Н.В. Лутовой Рекомендовано Методическим советом Разрешен к публикации 18.12.2013 Электронный формат – pdf Объем 13,03 уч.-изд. л. 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Информационный портал УрФУ http://www.ustu.ru |