Читайте также:
|
|
1.1. Обратный цикл Карно
В большинстве случаев производство искусственного холода основано на совершении холодильным агентом обратного кругового цикла. Термодинамически наиболее совершенным является обратный цикл Карно, который состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов.
Рис. 1. Обратный цикл Карно
1) В изотермическом процессе 4-1 к рабочему телу подводится тепло q0 от охлаждаемой среды, при этом температура рабочего тела остается постоянной. В T-s-диаграмме количество тепла q0 измеряется площадью a-1-4-b-a;
2) Адиабатический процесс сжатия рабочего тела 1-2 совершается без теплообмена с окружающей средой, а температура рабочего тела при этом повышается с T0 до T. На осуществления сжатия затрачивается механическая работа сжатия ALсж;
3) В изотермическом процессе 2-3 от рабочего тела отводится тепло q, а температура его остается постоянной T. Величина q соответствует площади a-2-3-b-a;
4) В адиабатическом процессе расширения 3-4 рабочее тело понижает свою температуру от T до T0 и производит полезную работу ALрасш.
Для осуществления изотермических процессов подвода и отвода тепла 4-1 и 2-3 предполагается наличие двух тел (охлаждаемого и охлаждающего), температура которых в процессе теплообмена не меняется. При этом принимаются бесконечно малые разности температур между источником тепла и рабочим телом. Т.е. при рассмотрении идеального цикла Карно предполагается, что процессы 4-1 и 2-3 являются обратимыми изотермическими процессами.
При совершении обратного цикла Карно тепло отнимается от тела с низкой температурой T0 и передается телу с более высокой температурой T. Для осуществления такой передачи тепла затрачивается работа AL, равная разности работ на сжатие ALсж в процессе 1-2 и полученной при расширении ALрасш в процессе 3-4:
.
Работа, затраченная на совершение обратного цикла Карно, превратилась в тепло, которое передалось рабочему телу. Поэтому от рабочего тела к теплоприемнику отдается не только тепло q0, взятое от охлажденного тела, но и тепло эквивалентное затраченной работе AL. Уравнение теплового баланса имеет вид:
или
В T-s-диаграмме работа AL эквивалентна площади 1-2-3-4.
Эффективность холодильного цикла оценивают холодильным коэффициентом ε:
;
т.о. ε – холодильный коэффициент, характеризующий количество тепла, отведенное от охлаждаемой среды, приходящееся на единицу затраченной работы.
Для цикла Карно:
;
.
Отсюда:
(А) |
Уравнение (А) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела, а определяется только температурами T и T0, т.е. температурами охлаждаемой и охлаждающей сред. Чем выше ε, тем выше T0 и ниже T. Высокое значение ε свидетельствует об экономичности работы ХМ. Обратный цикл Карно имеет набольшее значение ε по сравнению с другими циклами ХМ, осуществляемыми в тех же интервалах температур. Значение ε обычно больше 1.
1.2. Цикл воздушной холодильной машины
В соответствии с видом затрачиваемой энергии все существующие ХМ делятся на две группы:
1. ХМ, работающие с затратой механической энергии – воздушные и паровые компрессионные ХМ (ВКХМ, ПКХМ);
2. ХМ, работающие с затратой тепловой энергии – абсорбционные (АХМ) и пароэжекторные (ПЭХМ).
Рабочие тела: а) газы (воздух), б) жидкости (аммиак, фреоны, СО2), в) растворы.
В газовых ХМ не изменяется агрегатное состояние рабочего тела, в паровых ХМ происходит изменение (ж-пар-ж).
Промышленное получение холода впервые было осуществлено при помощи ВКХМ.
Рис. 2. Схема ВКХМ
Воздух благодаря доступности и безвредности является наиболее удобным хладагентом (ХА). Воздух из охлаждаемого помещения 1 при температуре Т1 и давленияя р1 засасывается компрессором 2 и подвергается адиабатическому сжатию до р2 и Т2. В теплообменнике 3 охлаждается водой до Т3, после чего в расширительном цилиндре (детандере) 4 газ расширяется до начального давления р1 и совершает работу, при этом температура газа значительно падает до – до Т4. Холодный воздух вновь поступает в охлаждаемое помещение 1, где подогревается до Т1, отнимая тепло q0.
Рис. 3. p-V-диаграмма ВКХМ:
4-1 – изобарный подвод тепла к рабочему телу от охлаждаемой среды (от Т4 до Т1); 1-2 – адиабатическое сжатие в компрессоре (от р1 до р2); 2-3 – изобарный отвод тепла от рабочего тела к охлаждающей воде в теплообменнике 3; 3-4 – адиабатическое расширение газа в детандере
Площадь а-1-2-b – работа сжатия компрессора ALсж; площадь а-4-3-b – работа расширения в детандере ALрасш;
.
Рис. 4. T-s-диаграмма ВКХМ
Площадь а-3-2-b – количество тепла q, отданное в теплообменнике 3; площадь а-4-1-b – количество тепла q0, отведенное от охлаждаемой среды (холодопроизводительность); площадь 1-2-3-4 – работа AL.
Так как (предполагается, что cp=const), холодильный коэффициент:
.
Для адиабатических процессов 1-2 и 3-4:
, тогда .
Цикл ВКХМ является внешне необратимым циклом, в котором теплообмен происходит неравновесно. Так, в процессе 2-3 рабочее тело отдает тепло охлаждающей воде, для того, чтобы этот процесс был возможен, температура воды на входе должна быть не выше Т3. Аналогично в процессе 4-1 температура охлаждаемой среды должна быть не ниже Т1; таким образом для рассмотренного цикла Т3 и Т1 являются предельными температурами охлаждающей воды и охлаждаемой среды.
Обратимый цикл Карно с указанными источниками тепла имеет вид 1-2’-3-4’. Для него:
.
Так как Т3<Т2, то .
Например, для ВКХМ при р1=0,1 МПа, р2=0,49 МПа, t1=00С – t0 охлаждаемого помещения, в конце сжатия t2=1620C:
.
При температуре охлаждающей воды t3=200C для цикла Карно:
.
Такое большое различие в ε указывает на термодинамическое несовершенство цикла ВКХМ по сравнению с наиболее выгодным обратимым циклом Карно.
Недостаток ВКХМ – низкая удельная холодопроизводительность и громоздкость установки, что связано с малым значением теплоемкости воздуха. Так, например, если и t1=00С, то t2≈1620C. При t3=200C удельная холодопроизводительность составляет всего , так как ; ,
Если Q=400000 кДж/час – теплота, отнимаемая от помещения, то ра ход воздуха: или . Большой объем циркулирующего воздуха вызывает недопустимое увеличение размеров машины, поэтому воздушные поршневые ХМ значительной производительности не строят.
При применении турбокомпрессоров и турбодетандеров, а также при использовании регенерации тепла, установки большой мощности оказываются целесообразными.
1.3. Циклы парокомпрессионной холодильной машины
1.3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПКХМ
Рис. 5. Схема ПКХМ:
1 – охлаждаемое помещение (испаритель); 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – детандер
Схема ПКХМ подобна схеме ВКХМ. Отличие – вместо теплообменников (до и после компрессора) стоят конденсатор и испаритель.
Рис.6. T-s-диаграмма ПКХМ
Рис. 7. p-V-диаграмма ПКХМ
Процесс 4-1 – испарение жидкого ХА при Т0 и р0, отнимается тепло от охлаждаемого помещения.
Процесс 1-2 – адиабатическое сжатие. Состояние в точке 2 соответствует сухому насыщенному пару (в общем случае адиабата 1-2 может располагаться левее и конечное состояние при сжатии будет соответствовать влажному пару).
Процесс 2-3 – конденсация с отдачей тепла при постоянном давлении рк и соответствующей ему температуре конденации Тк.
Процесс 3-4 – адиабатическое расширение жидкости в детандере.
Преимуществом цикла ПКХМ по сравнению с циклом ВКХМ является то, что в области насыщенного пара принципиально технически осуществим обратный цикл Карно, холодильный коэффициент рассматриваемого цикла, очевидно, совпадает с таковым для цикла Карно:
Цикл реальной ПКХМ отличается от обратного цикла Карно, что объясняется сложностью конструктивного выполнения и эксплуатации отдельных элементов машины, работающей по циклу Карно.
Основные отличия следующие:
1. Отсутствует расширительный цилиндр (детандер), он заменен дроссельным вентилем. Причем, изменением открытия вентиля устанавливается определенный расход ХА в соответствии с заданной холодопроизводительностью. Эта замена значительно упрощает устройство машины (трудно создать детандер для жидкого ХА с малым удельным объемом) и мало влияет на величину ε, так как рабочее расширение составляет небольшую часть работы цикла.
2. Компрессор засасывает не влажный, а сухой насыщеный пар или слегка перегретый пар, и процесс сжатия происходит в области перегретого пара, то есть компрессор осуществляет так называемый «сухой ход».
В реальных ХМ кроме того еще имеются следующие отличия от цикла Карно:
1. Жидкий ХА перед вентилем переохлаждается;
2. В действительных процессах принимают участие конкретные ХА с различными теплофизичекими свойствами, которые оказывают существенное влияние на экономичность ХМ;
3. Действительные процессы холодильного компрессора протекают с различными потерями, как объемными, так и энергетическими.
1.3.2. ЦИКЛ ПКХМ С РЕГУЛИРУЮЩИМ ВЕНТИЛЕМ
Рис.8. Цикл ПКХМ с регулирующим вентилем
В результате замены расширительного цилиндра (детандера) регулирующим вентилем вместо процесса адиабатического расширения 3-4 протекает необратимый процесс дросселирования 3-4’ (i=const), который приводит в двойным потерям:
1. Теряется полезная работа расширения и, следовательно, увеличивается работа AL, необходимая для осуществления цикла;
2. Уменьшается холодопроизводительность q0. Это происходит потому, что работа сил трения при дросселировании ХА превращается в тепло, вызывая дополнительное парообразование. Охлаждающий эффект при этом уменьшается вследствие увеличения паросодержания рабочего тела, поступающего в испаритель.
В T-s-диаграмме уменьшение холодопроизводительности Δq0 выражается площадью а-4-4’-с, полезная холодопроизводительность равна площади с-4’-1-b. Работа, затраченная на совершение цикла, AL=q - q0=площади с-4’-1-2-3-а. Увеличение работы ΔAL по сравнению с циклом Карно выражается площадью а-4-4’-с, она же характеризует уменьшение холодопроизводительности. Площадь а-4-4’-с практически равна площади 3-4-5, то есть AL=площади 1-2-3-5-1. ΔAL=Δq0.
Потери от дросселирования зависят от физических свойств ХА (темплоемкости жидкости, теплоты парообразования и критических параметров). Для аммиака потери от дросселирования несколько меньше, чем для фреона-12, но самые большие потери наблюдаются при дросселировании углекислоты (ее дросселируют в области близкой к критической, где теплота парообразования уменьшается, а пограничные кривые расположены очень полого). Относительная потеря работы , то есть зависит от теплоемкости ХА в жидком состоянии и теплоты парообразования. Так как для веществ с меньшей теплоемкостью нижняя (левая) пограничная кривая в T-s-диаграмме протекает круче, то площадь 3-4-5 и, следовательно, потеря работы ΔAL меньше. Очевидно также, что потери от замены расширительного цилиндра вентилем будут меньше в случае веществ с большим значением r. Кроме того, потери от дросселирования зависят от интервала температур до и после процесса: чем меньше перепад температур, тем меньше потери.
Практически потери можно уменьшить понижением температуры жидкого ХА перед дросселированием. Поэтому в цикл вводится переохлаждение жидкого ХА перед регулирующим вентилем (РВ), то есть охлаждение его до температуры ниже температуры конденсации.
Рис. 9. Цикл ПКХМ с переохлаждением
Процесс переохлаждения на T-s-диаграмме – линия постоянного давления 3-3’, которая практически совпадает с левой пограничной кривой. Переохлаждение жидкости перед РВ увеличивает холодопроизводительность на величину площади а-4’-4-с. При переохлаждении на каждый градус холодопроизводительность увеличивается: у аммиачной машины на 0,4%, у фреоновой на 0,43%, у углекислотной на 1,75%, поэтому в настоящее время переохлаждение применяется везде.
Переохлаждение осуществляется:
1. С помощью воды в противоточных конденсаторах или в специальных теплообменниках-переохладителях (вода и ХА текут противоположно);
2. Во фреоновых устройствах за счет внутреннего теплообмена: жидкость охлаждается паром ХА, поступающего из испарителя в компрессор.
Рис. 10. Схема ПКХМ с РВ и переохлаждением:
1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – теплообменник; 5 – дроссельный вентиль (РВ)
1.3.3. ЦИКЛ ПКХМ С ПЕРЕГРЕВОМ ПАРА ПРИ СЖАТИИ
Рис. 11. Цикл ПКХМ с перегревом пара
Компрессор засасывает сухой насыщенный или перегретый пар, что обеспечивает «сухой ход» компрессора. «Сухой ход» практически осуществляется двояко:
1. За счет внутреннего теплообмена. При этом пар, выходящий из испарителя может не только подсушиваться, но и перегреваться за счет тепла жидкости;
2. Установкой дополнительного отделителя жидкости перед компрессором (отделившаяся жидкость возвращается в испаритель).
Процесс адиабатического сжатия в компрессоре 1-2 (или 1”-2”) протекает в области перегретого пара. Переход к всасыванию сухого (или перегретого) пара (точки 1 или 1”) приводит:
1. К увеличению холодопроизводительности на величину Δq0=площади b-1’-1-c;
2. К увеличению затраченной работы на ΔAL=площади 1-2-2’-1’.
При подробном рассмотрении оказывается: затрата работы увеличивается больше, чем холодопроизводительность, то есть теоретически «сухой ход» не выгоден. Однако в действительных условиях «сухой ход» компрессора более выгоден. Это вызвано тем, что поступающий из испарителя холодный (иногда – в случае 1’ – влажный) пар при всасывании подогревается от стенок цилиндра и расширяется, производительность компрессора падает (особенно при расширении влаги). При всасывании перегретого пара снижение производительности меньше. Кроме того при «сухом ходе» компрессора исключена возможность гидравлического удара в цилиндре (в случае попадания большого количества жидкости). В аммиачных ХМ рекомендуется всасывание паров с перегревом на 5-10 0С, для фреона-12 до 25-30 0С.
Вывод: в действительных ХМ применяется дросселирование с предварительным переохлаждением жидкости, а в компрессор всасывается сухой или перегретый пар.
1.3.4. ИЗОБРАЖЕНИЕ ЦИКЛА ПКХМ В ТЕПЛОВЫХ ДИАГРАММАХ
Рис. 12. T-s-диаграмма ПКХМ
Холодопроизводительность q0=площади a-4-1-b. Тепло, отведенное от ХА в конденсаторе qк=площади c-3-2-b. Работа, затраченная в компрессоре на совершение холодильного цикла AL=Alк=площади a-4-1-2-3-c=площади 1-2-3-5. Однако опеределять площади неудобно, поэтому расчет ведут на разность энтальпий в начале и конце процессов.
Количество тепла, подведенное к 1 кг ХА в испарителе, или весовая холодопроизводительность агента в цикле:
.
Количество тепла, отведенное в конденсаторе:
.
Затраченная в компрессоре работа:
.
Холодильный коэффициент:
.
При дросселировании .
Удобна для расчета диаграмма с координатами i-lgp (для уменьшения масштаба на оси p откладывают lgp).
Рис. 13. i-lgp-диаграмма ПКХМ
1.3.1. ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГЕНТЫ
Основные требования к термодинамическим свойствам ХА:
1. Нормальная температура кипения (p=0,1 МПа) должна быть ниже рабочей. При этом исключается необходимость создания в испарителе вакуума и возможность проникновения воздуха;
2. Давление в конденсаторе (при обычных температурах охлаждающей воды) должно быть умеренным и не должно превышать 1,2-1,5 МПа. Снижение предельного давления в машине приводит к облегчению конструкции ХМ и уменьшает опасность утечки ХА через неплотности. По давлению рабочие вещества можно разделить на три группы: а) высокого (2-7 МПа); б) среднего (0,3-2 МПа); в) низкого (<0,3 МПа);
3. Объемная холодопроизводительность (v1 – удельный объем пара ХА при всасывании), для поршневых компрессионных машин должна быть возможно большей, т.к. при этом уменьшается объем циркулирующего ХА и размеры компрессора;
4. Температура замерзания ХА должна быть значительно ниже рабочей температуры кипения. При этом исключается возможность замерзания его в испарителе;
5. Критическая температура ХА должна быть достаточно высокой, чтобы осуществить сжатие не входя в сверхкритическую область.
Основные требования к физико-химическим свойствам ХА:
1. Удельный вес и вязкость желательно самые небольшие, т.к. при этом уменьшаются потери давления;
2. Коэффициент теплопроводности должен быть высоким – увеличивается теплоотдача;
3. Важное свойство ХА – растворимость в масле. Если ХА не растворяется, то меньше унос масла из цилиндра компрессора, на температуру кипения не влияет концентрация растворенного масла, отсутствует пена при кипении в испарителе. Однако растворимость ХА в масле имеет свои преимущества: более совершенная смазка, так как масло циркулирует с ХА; не снижается интенсивность теплопередачи в испарителе и конденсаторе, так как слой масла почти полностью смывается с рабочих поверхностей. Лучше всего – ограниченная растворимость ХА в масле;
4. Малая растворимость воды в ХА – отрицательное свойство: при попадании влаги в систему могут образоваться ледяные пробки;
5. ХА должен быть химически инертным по отношению к металлам и другим материалам, не быть горючим, взрывоопасным, должен быть безопасным для организма человека;
6. Стоимость ХА должна быть низкой.
Одним из первых рабочих тел в ХМ была вода (R718), область применения которой в настоящее время ограничивается пароструйными агрегатами. Затем стали применять аммиак (R717) (1874), сернистый ангидрид (R764) (1874) – SO2, углекислоту (R744) (1881) – СО2, хлористый метил (1878) – СН3Сl, с 30-х годов XX века – фреоны – фтористые и хлористые производные углеводородов. При этом исходные углеводороды – метан СН4 (R50) и этан С2Н6 (R170). В настоящее время применяют фреоны R11 (CFCl3), R12 (CF2Cl2), R13 (CF3Cl), R22 (CHF2Cl), R113 (C2F3Cl3), R142 (C2H3F2Cl), R134 (C2H2F4).
Сокращенные обозначения: для ряда метана первая цифра -1, для этанового – 11, а затем цифра, выражающая число атомов фтора, а при наличии незамещенных атомов водорода для метанового ряда к первой цифре, а для этанового ряда ко второй цифре прибавляют число атомов водорода.
Для анализа экологической целесообразности применения хладагентов используют следующие параметры:
Потенциал разрушения озона ODP (Ozon Depletion Potential). Определяется наличием атомов хлора в молекуле хладагента и принят за единицу для R11 и R12. Для хладагентов группы хлорфторуглеродов (ХФУ) ODP ≥ 1, для гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) ODP < 1; а для гидрофторуглеродов ODP = 0.
Потенциал глобального потепления GWP (Global warming potential). Принят за единицу для диоксида углерода СО2 с временным горизонтом 100 лет.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 79 | Нарушение авторских прав