Файл: СанктПетербургский государственный архитектурностроительный университет.pptx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.02.2024
Просмотров: 10
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
кафедра теплогазоснабжения и вентиляции
Техническая термодинамика
Тема 15
Обратные термодинамические циклы
Пономарев Николай Степанович
к. ф.-м. н., доцент, заведующий кафедрой
В обратных циклах суммарная работа расширения оказывается меньше суммарной работы сжатия, что требует для реализации цикла дополнительных затрат энергии от некоторого внешнего её источника.
По обратным циклам работают различные потребители энергии.
Наиболее эффективным среди обратных циклов является обратный цикл Карно, холодильный коэффициент которого зависит лишь от температур верхнего и нижнего источников теплоты
4.7 Обратные термодинамические циклы
и возрастает с повышением, при прочих равных условиях, значения T2 или понижением T1.
4.7.1 Цикл воздушной холодильной установки
В качестве рабочего тела в холодильной установке может использоваться воздух.
В этом случае подвод и отвод теплоты осуществляется − в отличии от цикла Карно − не в изотермических процессах, а в процессах изобарных.
Нагретый в результате теплообмена с охлаждаемыми предметами воздух поступает их холодильной камеры 1 в компрессор 2.
Вследствие последующего быстрого сжатия в нём температура воздуха поднимается выше температуры окружающей среды и вытесняемый в теплообменник 3 воздух при постоянном давлении отдаёт теплоту этой среде или охлаждающей жидкости.
Пройдя через трубки теплообменника, воздух через клапаны попадает в расширительный цилиндр 4. Здесь он расширяется, совершая полезную «положительную» работу.
Температура рабочего тела в процессе расширения понижается и охлаждённый подобным образом воздух в конце расширения через клапана вновь попадает в холодильную камеру 1. Здесь при постоянном давлении он отбирает теплоту у охлаждаемых предметов, после чего вновь поступает в компрессор.
Процесс 12 − адиабатное сжатие рабочего тела от параметров точки 1 (на входе из холодильной камеры в компрессор) до давления и температуры на входе в теплообменник.
В теплообменнике при постоянном давлении p2 газ отдает теплоту (изобара 23), благодаря чему его температура понижается.
Охлаждённый газ направляется в детандер 4, где адиабатно расширяется процессом 34.
В изобарном процессе 41 рабочее тело отбирает у охлаждаемых предметов в рабочей камере 1 теплоту и нагревается до исходной температуры
T1.
Количество теплоты, полученной 1 кг рабочего тела от охлаждаемых предметов, называется холодопроизводительностью.
Холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки определяется как
После сокращения получаем
Из рассмотрения адиабатных процессов 12 и 34 следует, что одно и то же отношение давлений p2 и p1, в диапазоне которых реализуется цикл, может быть выражено через различные температуры.
или
Таким образом, холодильный коэффициент воздушной установки определяется по той же формуле, что и k для обратного цикла Карно. Однако эффективность этих двух циклов оказывается различной.
В обратном цикле Карно (прямоугольник ограниченный двумя пунктирными линиями) отбирать теплоту у охлаждаемых предметов, имеющих температуру T1 и передавать её окружающей среде с температурой T3 можно при существенно меньших затратах энергии.
Действительно, как следует из диаграммы, работа, необходимая для осуществления обратного цикла Карно существенно меньше работы, затрачиваемой на привод воздушной холодильной установки.
С другой стороны − количество теплоты, отбираемое у охлаждаемых предметов, оказывается существенно большим в случае обратного цикла Карно.
Нетрудно показать, что при одинаковых температурах рабочего тела на входе в компрессор T1 и выходе из теплообменника T3 холодильный коэффициент обратного цикла Карно оказывается более высоким, нежели холодильный коэффициент цикла воздушной холодильной установки, поскольку его значение определяется в рассматриваемом случае выражением
Так как при одинаковых числителях ( и k) в формуле для k в знаменателе разность меньше, то холодильный коэффициент цикла Карно оказывается соответственно более высоким, чем воздушной холодильной установки.
При этом расхождение оказывается тем существеннее, чем большее количество теплоты подводится в изобарном процессе 41.
В этом случае увеличение расстояния между изоэнтропами адиабатных процессов приводит к росту T1, что равнозначно уменьшению разности температур T3 − T1 и соответствующему увеличению термического КПД цикла Карно.
В результате уменьшается отношение /k, показывающее степень приближения рассматриваемого цикла к циклу Карно.
Различие в эффективности цикла воздушной холодильной установки и обратного цикла Карно весьма существенно, и отношение /k, в реальном диапазоне температур, как правило, не превосходит 0,3.
Помимо невысокой эффективности существенным недостатком воздушных холодильных установок являются и их большие габариты.
В связи с этим замена воздуха на легкокипящую жидкость, способную превращаться в пар при низких температурах, позволяет приблизиться по эффективности к обратному циклу Карно.
Процессы парообразования и конденсации в случае неизменных давлений протекают при соответствующих этим давлениям неизменных температурах.
Эта идея используется в так называемых в парокомпрессорных холодильных установках.
В качестве рабочего тела (хладоагента) в них могут применяться те вещества, у которых температура насыщения при атмосферном давлении ниже 0С, а температура критической точки выше температуры окружающей среды.
В то же время они не должны вызывать коррозию металлов, не быть токсичными и не отличаться чрезмерно высокой плотностью, чтобы не возрастали затраты энергии на циркуляцию.
4.7.2 Циклы парокомпрессорных холодильных установок
К числу таких веществ относятся диоксиды углерода и серы, аммиак и многочисленные фреоны.
Эти легко кипящие жидкости должны иметь достаточно высокую теплоту парообразования, поскольку от величины r зависит холодопроизводительность установки.
Физические параметры хладоагентов
Прежде фреоны были основными хладоагентами, используемыми для заполнения контуров холодильных установок. Однако в настоящее время от фреонов практически повсеместно отказались в связи с тем, что, как полагают многие экологи, входящий в их состав фтор ответственен за уменьшение толщины атмосферного озонового слоя, экранирующего Землю от опасного для живых существ космического излучения.
| Холодильный агент | Температура кипе-ния при давлении 0,1 МПа, С | Критическая температура, С | Температура замерзания, С |
| Аммиак | 33,7 | 132,4 | 77,7 |
| Углекислый газ | 56,5 | 31,35 | 78,5 |
| Фреон-12 | 30,6 | 111,5 | 155,0 |
| Фреон-142 | 10,1 | 137,0 | 130,8 |
Схема парокомпрессорной холодильной установки
Циркулирующий в контуре холодильной установки хладоагент из холодильной камеры 1 поступает в компрессор 2, где адиабатно сжимается (диаграмма на следующем слайде) в процессе
12, в результате чего происходит увеличение его степени сухости.
Если адиабатное сжатие прекратить в тот момент, когда пар станет сухим насыщенным, и затем направить его в конденсатор 3, то в нём будет протекать изобарно-изотермная конденсация (процесс 23).
В результате отвода выделяющейся при конденсации теплоты можно добиться полного превращения пара в кипящую жидкость (точка 3 диаграммы).
Если эту жидкость направить в местное сужение 4, то в результате дросселирования (процесс 34) при неизменном значении энтальпии рабочего тела h будут понижаться его давление и температура.
Таким образом, использование дросселирующего вентиля с переменным сечением позволяет произвольно изменять температуру хладоагента на входе в холодильную камеру 1.
Получаемый в результате дросселирования влажный насыщенный пар небольшой степени сухости поступает в теплообменник холодильной камеры.
Процесс 41 в теплообменнике-испарителе протекает при постоянных давлении и температуре за счёт теплоты, отбираемой у охлаждаемых предметов. При этом удельный объём, степень сухости, энтальпия и энтропия рабочего тела возрастают.
Количество теплоты q2, отбираемое от охлаждаемых предметов, определяется в Ts-координатах площадью под процессом 41.
Поскольку в процессе дросселирования увеличение удельного объёма не сопровождается совершением работы, необходимая для привода холодильной установки работа полностью определяется затратами энергии на привод компрессора
Вместо дросселирующего вентиля для понижения температуры можно использовать и расширительный цилиндр. При этом установка работала бы по обратному циклу Карно (12351).
Тогда затраты энергии на её привод определялись бы разностью между затратами на привод компрессора и положительной работой, получаемой при адиабатном расширении рабочего тела в детандере (адиабата 35).
Кроме того, в сравнении с обратным циклом Карно в установках с дросселирующим вентилем уменьшается и количество отбираемой у охлаждаемых предметов теплоты (на величину заштрихованной площади 4455).
Холодильный коэффициент парокомпрессорной холодильной установки определяется выражением
Поскольку энтальпия в процессе дросселирования остаётся неизменной, тогда
Соответствующее значение холодильного коэффициента обратного цикла Карно определяется выражением
где в знаменателе − разность затрат энергии на привод компрессора и положительной работы, полученной в результате адиабатного расширения рабочего тела в детандере.
Использование изотерм при подводе и отводе теплоты позволяет приблизить цикл парокомпрессорной холодильной установки по эффективности к обратному циклу Карно.
В отличие от рассмотренного выше идеализированного цикла в реальных парокомпрессорных установках из теплообменника-испарителя холодильной камеры в компрессор поступает не влажный, а сухой или даже несколько перегретый пар, что позволяет уменьшить теплообмен между стенками цилиндра и рабочим телом, а также улучшить условия смазки цилиндра.
Кроме того, в конденсаторе имеет место некоторое переохлаждение рабочего тела (участок изобары 45), что способствует возрастанию отводимой в цикле теплоты q2 и увеличивает холодильный коэффициент установки.
4.7.3 Адсорбционные и пароэжекторные холодильные установки
В адсорбционных и пароэжекторных холодильных установках для переноса теплоты от менее нагретого тела к более нагретому используют тепловую энергию.
Общим для этих установок является понижение температуры холодильного агента в результате его дросселирования.
Тепловая энергия в адсорбционных установках используется для выпаривания холодильного агента (например − аммиака) из раствора.
После конденсации паров жидкий холодильный агент дросселируется в редукционном вентиле или адиабатно расширяется в турбине. При этом понижаются давление и температура и получается влажный пар с небольшой степенью сухости.
Он направляется в испаритель, где в изобарно-изотермном процессе парообразования отбирает теплоту от охлаждаемых предметов.
Образующийся сухой насыщенный пар поступает затем в охлаждаемый адсорбер и растворяется в воде с выделением теплоты.
Образующийся концентрированный раствор насосом подаётся в генератор пара, где вновь происходит выпаривание за счёт подвода извне тепловой энергии.
В пароэжекторной холодильной установке пары рабочего тела (обычно − вода) при низких давлении и температуре поступают в эжектор, в котором сжимаются до необходимого давления за счёт энергии подводимого от котельной установки пара.
Использование для сжатия вместо компрессора эжектора объясняется большим значением удельного объёма v сухого насыщенного пара при низких температурах насыщения.
Для необходимого повышения давления такого пара потребовался бы чрезмерно громоздкий компрессор. В эжекторе же сжатие реализуется за счёт энергии дешёвого пара с низкими параметрами.