ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 170
Скачиваний: 8
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
пв = ∑qj , u = 0 (поскольку u – функция состояния) в силу 1-го начала термодинамики: lц = qц . Tпв > Tпн |qпв | > |qпн| qц > 0 .
Отношение работы, полученной в произвольном прямом цикле, к теплоте, подведенной к циклу от горячего источника, называется термическим КПД:
который всегда меньше единицы.
Для идеального цикла Карно, когда s3 = s2 и s1 = s4 ,
или hК = 1 – Tпн/Tпв . hК – характеризует степень обратимости превращения теплоты в работу. Заметим, что hК зависит только от температур и не зависит от РТ.
Эксергетический КПД прямого цикла Карно.
hE = eпол/eзатр = lц/eq,пв = lц/(qпвtE) = h/tE ; где (tE = 1 – TОС/Tпв) .
0,7 МПа) направляется в эжектор
2. В узкой части эжектора давление струи уменьшается, в связи с чем подсасывается водяной пар из испарителя 5. За эжектором давление повышается, и пары направляются в конденсатор 6. Сконденсированная вода из конденсатора 6 подается частично в испаритель 5 через редукционный вентиль и частично насосом 7 обратно в парогенератор 1. В испарителе 5 температура воды понижается за счет испарения, и охлажденная вода насосом 4 прокачивается через теплообменник нагрузки 3 и через клапан сбрасывается обратно в испаритель 5.
35. Тепловые насосы. Совместное получение теплоты и холода.
При работе холодильных установок отбираемая от охлаждаемых предметов теплота передается «верхнему», или «горячему», источнику теплоты, в качестве которого обычно используется окружающая среда — чаще всего либо вода, либо окружающий установку воздух. Если речь идет о некотором замкнутом помещении, то температура воздуха в нем за счет работы холодильной установки должна постепенно подниматься. Таким образом, при определенных затратах энергии теплота «перекачивается» установкой от охлаждаемых предметов в имеющую большую температуру окружающую среду. Следовательно, существует возможность использовать источники теплоты, имеющие относительно невысокие температуры, для отопления. Подобный способ отопления оказывается в итоге более выгодным, нежели непосредственное использование для этих целей тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлив.
Соответствующие установки, применяемые для повышения температуры в помещении за счет низкотемпературных источников энергии, называются тепловыми насосами и с каждым годом находят в мире все большее распространение. Эффективность теплового насоса определяется коэффициентом трансформации теплоты р (см. параграф 5.6).
Как и холодильный коэффициент г, коэффициент р возрастает при понижении температуры «верхнего» источника теплоты Г, и при повышении температуры «нижнего» источника теплоты Т2. Следовательно, эффективность тепловых насосов возрастает в том случае, если для повышения температуры отапливаемого помещения используется источник теплоты с возможно более высокой температурой Т2. В связи с этим дополнительным преимуществом реальных тепловых насосов является возможность при соответствующем переключении понижать температуру в помещении в летний период, т.е. использовать их для кондиционирования воздуха. В этом случае отводимая при кондиционировании воздуха энергия может аккумулироваться в некотором тепловом аккумуляторе, повышая его температуру. В зимний период этот тепловой аккумулятор в комбинации с тепловым насосом используется для отопления. В этом плане особые выгоды обещает совместное использование тепловых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты (CAT). Последние представляют собой участки грунта или подземные резервуары, в летний период аккумулирующие солнечную энергию, а в зимний период отдающие ее для отопительных целей.
Одинаковый принцип работы холодильных машин и тепловых насосов позволяет в одном агрегате вырабатывать как холод, так и теплоту, обеспечивая одновременно тепло- и хладоснабжение потребителя. Обычно такое сочетание является экономически выгодным. Источником теплоты для теплового насоса, используемого для отопления, могут быть воздух, вода и грунт. Приемником теплоты является отапливаемое помещение. Если температура источника теплоты изменяется (например, суточное изменение температуры воздуха), то эффективность теплового насоса также изменяется.
Схема отопления помещения тепловым насосом показана на рис. 18.10.
Рис. 18.10. Принципиальная схема отопления помещения тепловым насосом:
I — наружный воздух; II — воздух из помещения; 1 — отапливаемое помещение; 2, 5 — вентиляторы; 3 — испаритель; 4 — дроссель; 6 — охладитель; 7 — вентиль для отогрева испарителя; 8 — компрессор; 9 — электродвигатель; 10 — отделитель жидкости; 11 — регулировочный вентиль;
12 — ресивер; 13 — конденсатор
Наружный воздух I вентилятором 2 (или вода насосом) прокачивается через испаритель 3 и отдает теплоту Q(l кипящему в испарителе 3 рабочему телу цикла. Пары из испарителя 3 отсасываются компрессором 8> сжимаются и поступают в охладитель 6 и конденсатор 13. Вентилятор 5 (или насос) прокачивает комнатный воздух II или воду из системы отопления через охладитель 6 и конденсатор 13, и в результате в помещение передается тепло- та <2 = <2„ + К-
В качестве примера приведем характеристики теплового насоса НТ 80. Он работает по простейшей схеме одноступенчатого сжатия с поршневым компрессором в двух режимах: тепло- или хладоснабжения.
В испарителе теплового насоса теплота рабочему телу цикла (R12) может передаваться от водопроводной, артезианской или термальной воды. В режиме теплоснабжения теплопроизводителыюсть насоса достигает 130 кВт при температуре в испарителе не ниже 6°С. Потребителю подается 7,2 м3/ч нагретой до 58°С воды. В режиме хладоснабжения холодопроизводитель- ность достигает 163 кВт при температуре в испарителе 5°С и температуре конденсации 30°С. Потребителю может подаваться до 20 м
3/ч воды, охлажденной до 5°С, или холодный теплоноситель (рассол) с температурой до минус 25°С. Холодопроизводителыюсть при tn = 25°С не превышает 40 кВт. Общая потребляемая мощность составляет 43 кВт. Тепловой насос автоматизирован. Переключение с режима теплоснабжения на режим хладосиаб- жения осуществляется вручную.
В тех случаях, когда oднoвpeмeннo требуется получить теплоту и холод, целесообразно совместить циклы холодильной машины и теплового насоса в один обратный цикл, как это показано на рис. 2.44. На этом рисунке: цикл abcd – цикл теплового насоса, цикл 1-2-3-4 – цикл холодильной машины и, наконец, цикл АВСД – цикл совместного получения тепла и холода. Такой совмещенный цикл имеет следующее преимущество: если для одновременного получения тепла и холода с помощью теплового насоса и холодильной машины требуются два компрессора (для рабочего тела по линиям 1-2 и bc) и два детандера (для расширения рабочего тела по линиям 3-4 и da), то для этой же цели в совмещенном цикле имеется только один компрессор, сжимающий рабочее тело по линиям ВС и один детандер, в котором рабочее тело расширяется по линии ДА. Таким образом, установка, работающая по совмещенному циклу, требует вдвое меньше указанных машин, чем при раздельном получении тепла и холода в тепловом насосе и холодильной машине. Следовательно, установка, работающая по совмещенному циклу будет дешевле, проще и экономичнее следствие уменьшения потерь энергии в машинах на необратимость.
Так как затрата энергии в совмещенном цикле производиться в форме работы, то эффективность этого цикла можно охарактеризовать отношением суммы количества тепла q2 и холода qx к работе цикла
. (2.57)
Так как q2=qx+ly, то
, (2.58)
где
– холодильный коэффициент совмещенного цикла.
Н
едостатком совмещенного цикла является то, что количество тепла q
Отношение работы, полученной в произвольном прямом цикле, к теплоте, подведенной к циклу от горячего источника, называется термическим КПД:
который всегда меньше единицы.
Для идеального цикла Карно, когда s3 = s2 и s1 = s4 ,
или hК = 1 – Tпн/Tпв . hК – характеризует степень обратимости превращения теплоты в работу. Заметим, что hК зависит только от температур и не зависит от РТ.
Эксергетический КПД прямого цикла Карно.
hE = eпол/eзатр = lц/eq,пв = lц/(qпвtE) = h/tE ; где (tE = 1 – TОС/Tпв) .
33. Использование низкотемпературных источников теплоты для получения холода. Устройство и цикл пароэжекторной холодильной установки.
Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно является вода, а в последнее время и хладоны. Использование воды в качестве рабочего вещества целесообразно вследствие ее безвредности и относительной дешевизны. Однако применить воду в компрессорных машинах невозможно из-за очень больших значений удельного объема сухого насыщенного пара при низких температурах. Это можно было бы осуществить лишь при огромных размерах цилиндров поршневого компрессора или колес в центробежной машине. Однако такие машины будут характеризоваться большими потерями энергии, а также высокими капитальными затратами. К тому же конструкция указанных машин окажется сложной из-за необходимости их работы в области глубокого вакуума. Отсасывание водяного пара из испарителя паровым эжектором позволяет создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину.
Недостатками ПЭХМ являются низкая энергетическая эффективность из-за больших потерь в эжекторе, а также необходимость поддержания глубокого вакуума в испарителе, конденсаторе и пароструйном аппарате.
Наиболее широко ПЭХМ применяют в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками, а также на промышленных предприятиях, располагающих вторичными энергетическими ресурсами повышенного температурного потенциала.
Принцип действия и теоретический процесс работы пароэжекторной машины. Пароэжекторная машина представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов, т.е. в ней совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В состав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель. Схема пароэжекторной машины показана на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема пароэжекторной холодильной машины
Рабочий пар из парогенератора Г, образованный в нем за счет подвода теплоты qг, направляется в сопло эжектора Э. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию - скорость пара возрастает. Струя рабочего пара, увлекая холодный пар, идущий из испарителя И, смешивается с ним в камере смешения эжектора. Смесь рабочего и холодного пара направляется в диффузор эжектора, в котором давление смеси повышается вследствие снижения скорости. Таким образом, за счет кинетической энергии струи рабочего пара осуществляется работа сжатия смеси рабочего и холодного пара от давления в испарителе р0 до давления в конденсаторе рк. Теплота конденсации qк в конденсаторе ГК отводится водой, а образовавшийся конденсат направляется по двум потокам: одна часть конденсата в количестве, равном массе рабочего пара, подается конденсатным насосом КН в парогенератор Г, другая - через дроссельный вентиль РВ1 поступает в испаритель И. Вода в испарителе охлаждается в результате ее частичного испарения при глубоком вакууме. Количество теплоты, отводимой холодным паром, зависит от удельной теплоты парообразования воды при давлении и температуре в испарителе и расхода холодного пара. Из испарителя И образующийся пар непрерывно отсасывается эжектором, благодаря чему в испарителе поддерживаются постоянное низкое давление и непрерывный процесс испарения. Охлажденная вода, называемая рабочей водой, циркулирует между испарителем И и потребителем холода ПХ. Рабочая вода подается к потребителю холода циркуляционным насосом ЦН, в испаритель она возвращается через вентиль РВ2.
Теоретический совмещенный цикл ПЭХМ на s-Т-диаграмме показан на рис. 4.2. Рабочий пар с давлением рр расширяется в сопле до давления р0 изоэнтропно - процесс 1-2s. Из испарителя подсасывается холодный пар состояния 9. В камере смешения образуется влажный пар состояния 3, который сжимается в диффузоре до давления рк изоэнтропно - процесс 3-4s.
Рис. 4.2. Теоретический цикл пароэжекторной холодильной машины
Процесс 4s-5 - конденсация; процесс 5-6 соответствует адиабатной работе насоса, перекачивающего конденсат в парогенератор. Процесс 5-8 - дросселирование части конденсата, идущего в испаритель. Процесс 8-9 - кипение в испарителе, а 6-7-1 - процессы нагрева воды и парообразования в парогенераторе. В машине совершаются два цикла. Если условно представить сжатие в эжекторе отдельно рабочего пара (процесс 2s-11) и холодного пара (процесс 9-10), то прямой цикл будет изображаться процессами 1-11-5-6-7-1, а обратный - процессами 9-10-5-8. В сопле потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую - процесс 1-2s; энергия прямого цикла передается обратному в камере смешения - процесс 2s-3-9; работа в обратном цикле затрачивается в диффузоре - процесс 3-4s. Процессы расширения 11-2s от давления рк до давления р0 с последующим сжатием смешанного пара (процесс 3-4s) от давления р0 до рк, по существу, выполняются для передачи работы прямого цикла обратному.
Таким образом, в машине осуществляются два цикла: круговой процесс 1-2-3-4-5-6-7-1 является прямым циклом, а круговой процесс 9-3-4-5-8-9 - обратным (холодильным) циклом. Если принять, что через испаритель проходит 1 кг рабочего вещества, то через парогенератор пройдет а (кг) рабочего пара, причем
. (4.1)
Величина а, определяемая отношением массовых расходов рабочего пара Gр к холодному Gх, называется кратностью циркуляции или коэффициентом удельного расхода пара.
Принимая условие передачи работы прямого цикла обратному без потерь, можно записать для теоретического цикла, что аТl = l0, где l и l0 - соответственно работы прямого и обратного циклов, или
(4.2)
где h - энтальпия в соответствующих точках цикла (см. рис. 4.2). Тепловой баланс машины можно представить в следующем виде:
(1 + ат)qк = q0 + атqг + атqн, (4.3)
где (1 + ат)qк = (1 + ат)(h4s – h5) - отведенная теплота; q0 = h9 – h8 - удельная холодопроизводительность; атqг = ат (h1 - h6) - теплота, подведенная к парогенератору; атqн = ат(h6 - h5) - работа насоса.
Эффективность работы прямого цикла оценивается термическим коэффициентом
(4.4)
Холодильный коэффициент является энергетической характеристикой обратного цикла:
(4.5)
Для энергетической оценки эффективности всей машины используют тепловой коэффициент ξт, равный отношению холодопроизводительности цикла к затраченной теплоте:
(4.6)
Подставив в формулу (4.4) l = l0/ат и умножив ηt на εт, получают
(4.7)
Термодинамическое совершенство цикла эжекторной ходильной машины так же, как и для других типов холодильных машин, можно оценить коэффициентом обратимости
(4.8)
Здесь εт и ηt соответственно тепловой, холодильный и термический коэффициенты теоретического цикла; 
εоб и ηtоб те же коэффициенты обратимого цикла
ε
(4.9)
(4.10)
где Т0 - температура охлажденной воды на выходе из испарителя, К; То.с - температура окружающей среды, К; Тh - температура греющего источника, К.
34. Использование низкотемпературных источников теплоты для получения холода. Устройство и цикл абсорбционной холодильной установки.
Наиболее сложным агрегатом компрессионной холодильной установки в конструктивном отношении и в обслуживании является поршневой компрессор и его силовой привод. Возможность создания холодильной установки без механического компрессора, а следовательно, и без силового привода известна давно. В 1860 г. французский ученый Эдмонд Карре получил патент на так называемую абсорбционную холодильную установку, совершающую термохимический цикл, для осуществления которого требуется затрата не механической работы, а теплоты.
Особенностью абсорбционной холодильной установки является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора. В качестве рабочего тела абсорбционных установок наиболее широко используется водоаммиачный раствор, в котором аммиак применяется в качестве хладагента, а вода — в качестве абсорбента. Хладагент должен иметь низкую температуру кипения и растворяться или поглощаться вторым рабочим телом, которое может быть как жидким, так и твердым. Второе вещество, поглощающее (абсорбирующее) хладагент, называется абсорбентом.
Схема простейшей абсорбционной установки приведена на рис. 18.8.
В генераторе 1 при подводе внешней теплоты +Q' происходит выпаривание хладагента из концентрированного водоаммиачного раствора при [1]
Рис. 18.8. Схема абсорбционной холодильной установки:
максимальном давлении в системе. Получающийся из водоаммиачного раствора аммиак поступает в конденсатор 2, где конденсируется при том же давлении, отдавая теплоту Qv а слабый водоаммиачный раствор для обогащения аммиаком направляется в абсорбер 5 через регулирующий вентиль 7. Жидкий аммиак из конденсатора 2 поступает через регулирующий редукционный вентиль 3 в испаритель 4, в котором давление значительно ниже, чем в генераторе 1 и конденсаторе 2. В испарителе аммиак кипит с поглощением теплоты Q2 охлаждаемого холодильной установкой тела (или помещения). Из испарителя 4 пары аммиака поступают в абсорбер 5, где они поглощаются слабым водоаммиачным раствором, перетекающим через регулирующий вентиль 7 из генератора 1. Процесс в абсорбере идет с выделением теплоты и происходит при минимальном для всей системы давлении. Интенсивное поглощение аммиака в абсорбере «отсасывает» (аналогично насосу) аммиачные пары из испарителя и тем самым поддерживает в нем непрерывный процесс кипения. Выделяющаяся в абсорбере теплота -Q" поглощается системой охлаждения (водяной или воздушной).
Так как давление в генераторе значительно выше, чем в абсорбере, то движение паров аммиака из генератора в конденсатор и далее движение конденсата через регулирующий вентиль в испаритель, а также движение слабого раствора из генератора в абсорбер осуществляются самопроизвольно под действием перепада давления. Перекачивание крепкого водоаммиачного раствора из абсорбера в генератор производится насосом 6. Следовательно, для работы абсорбционной холодильной установки механической энергии на привод насоса требуется значительно меньше, чем для привода компрессора.
Абсорбционная установка, рассчитанная на работу с малым перепадом давления между генератором и абсорбером, может быть выполнена безна- сосной. В этом случае движение водоаммиачного раствора осуществляется благодаря разности его плотностей на различных участках контура циркуляции, т.е. используется так называемая термосифонная циркуляция.
Безнасосные абсорбционные холодильные установки малой производительности широко используются при изготовлении холодильных шкафов (домашних холодильников).
Абсорбционные холодильные установки имеют ряд преимуществ в сравнении с компрессионными, основными из которых являются:
-
• возможность использования для получения холода теплоты пара, горячей воды или дымовых газов;
-
• малый расход электроэнергии на привод насоса;
-
• отсутствие компрессора и быстро изнашивающихся узлов.
Основными недостатками абсорбционных установок по сравнению
с компрессионными являются:
-
• большие габаритные размеры и масса;
-
• значительный расход охлаждающей воды и теплоты на единицу получаемого холода.
При работе с электрическим нагревателем, когда нет возможности использовать дешевую теплоту пара или горячей воды, экономичность абсорбционной установки будет значительно ниже компрессионной.
В пароэжекторной холодильной установке пары рабочего тела (обычно воды) при низких значениях давления и температуры поступают в эжектор, в котором сжимаются до необходимого давления за счет энергии подводимого от котельной установки пара. Использование для сжатия эжектора вместо компрессора объясняется большими значениями удельного объема сухого насыщенного пара при низких температурах насыщения. Для необходимого повышения давления такого пара потребовался бы чрезмерно громоздкий компрессор. В эжекторе же сжатие реализуется за счет энергии дешевого пара с низкими параметрами.
Из эжектора пар направляется в конденсатор, где превращается в жидкость. Некоторая часть получаемой жидкости вновь закачивается насосом в контур котельной установки, в то время как остальная жидкость подвергается дросселированию, в результате чего при понижении давления и температуры образуется влажный пар небольшой степени сухости. В теплообменнике-испарителе этот пар подсушивается при постоянной температуре и постоянном давлении, отбирая теплоту у охлаждаемых предметов, а затем вновь поступает в паровой эжектор.
Поскольку затраты механической энергии на перекачивание жидкой фазы в абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках пренебрежимо малы, ими пренебрегают, и эффективность установок оценивается коэффициентом теплоиснользоваиия представляющим собой отношение отбираемой от охлаждаемых предметов теплоты к теплоте, используемой для реализации циклов:
Сопоставление коэффициента теплоиснользования с холодильным коэффициентом достаточно сложно. Однако можно констатировать, что пароэжекторные и абсорбционные холодильные установки дают возможность вместо дорогостоящей механической энергии использовать для получения холода относительно дешевую тепловую энергию теплоносителей с невысокими значениями температуры, что делает применение таких холодильных установок экономически оправданным.
Рассмотрим принцип действия эжекторной холодильной машины, принципиальная схема которой представлена на рис. 18.9.
Рис. 18.9. Принципиальная схема нароэжекторной холодильной машины:
1 — паровой котел (парогенератор); 2 — эжектор; 3 — теплообменник нагрузки; 4 — насос; 5 — испаритель; 6 — конденсатор; 7 — насос
В парогенератор 1 подводится теплота ?)к, водяной нар (Т
423-^473 К; р
0,7 МПа) направляется в эжектор
33. Использование низкотемпературных источников теплоты для получения холода. Устройство и цикл пароэжекторной холодильной установки.
Рабочим веществом ПЭХМ преимущественно является вода, а в последнее время и хладоны. Использование воды в качестве рабочего вещества целесообразно вследствие ее безвредности и относительной дешевизны. Однако применить воду в компрессорных машинах невозможно из-за очень больших значений удельного объема сухого насыщенного пара при низких температурах. Это можно было бы осуществить лишь при огромных размерах цилиндров поршневого компрессора или колес в центробежной машине. Однако такие машины будут характеризоваться большими потерями энергии, а также высокими капитальными затратами. К тому же конструкция указанных машин окажется сложной из-за необходимости их работы в области глубокого вакуума. Отсасывание водяного пара из испарителя паровым эжектором позволяет создать относительно компактную и надежную в эксплуатации машину.
Недостатками ПЭХМ являются низкая энергетическая эффективность из-за больших потерь в эжекторе, а также необходимость поддержания глубокого вакуума в испарителе, конденсаторе и пароструйном аппарате.
Наиболее широко ПЭХМ применяют в системах кондиционирования воздуха на судах с парогенераторными энергетическими установками, а также на промышленных предприятиях, располагающих вторичными энергетическими ресурсами повышенного температурного потенциала.
Принцип действия и теоретический процесс работы пароэжекторной машины. Пароэжекторная машина представляет собой систему совмещенных неразделимых процессов прямого и обратного циклов, т.е. в ней совмещены пароэнергетическая установка с двигателем-эжектором и холодильная машина со струйным компрессором-эжектором. Пароэнергетическая установка включает в себя парогенератор, эжектор, конденсатор и насос. В состав холодильной машины входят эжектор, конденсатор, регулирующий вентиль и испаритель. Схема пароэжекторной машины показана на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Схема пароэжекторной холодильной машины
Рабочий пар из парогенератора Г, образованный в нем за счет подвода теплоты qг, направляется в сопло эжектора Э. В сопле потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую энергию - скорость пара возрастает. Струя рабочего пара, увлекая холодный пар, идущий из испарителя И, смешивается с ним в камере смешения эжектора. Смесь рабочего и холодного пара направляется в диффузор эжектора, в котором давление смеси повышается вследствие снижения скорости. Таким образом, за счет кинетической энергии струи рабочего пара осуществляется работа сжатия смеси рабочего и холодного пара от давления в испарителе р0 до давления в конденсаторе рк. Теплота конденсации qк в конденсаторе ГК отводится водой, а образовавшийся конденсат направляется по двум потокам: одна часть конденсата в количестве, равном массе рабочего пара, подается конденсатным насосом КН в парогенератор Г, другая - через дроссельный вентиль РВ1 поступает в испаритель И. Вода в испарителе охлаждается в результате ее частичного испарения при глубоком вакууме. Количество теплоты, отводимой холодным паром, зависит от удельной теплоты парообразования воды при давлении и температуре в испарителе и расхода холодного пара. Из испарителя И образующийся пар непрерывно отсасывается эжектором, благодаря чему в испарителе поддерживаются постоянное низкое давление и непрерывный процесс испарения. Охлажденная вода, называемая рабочей водой, циркулирует между испарителем И и потребителем холода ПХ. Рабочая вода подается к потребителю холода циркуляционным насосом ЦН, в испаритель она возвращается через вентиль РВ2.
Теоретический совмещенный цикл ПЭХМ на s-Т-диаграмме показан на рис. 4.2. Рабочий пар с давлением рр расширяется в сопле до давления р0 изоэнтропно - процесс 1-2s. Из испарителя подсасывается холодный пар состояния 9. В камере смешения образуется влажный пар состояния 3, который сжимается в диффузоре до давления рк изоэнтропно - процесс 3-4s.
Рис. 4.2. Теоретический цикл пароэжекторной холодильной машины
Процесс 4s-5 - конденсация; процесс 5-6 соответствует адиабатной работе насоса, перекачивающего конденсат в парогенератор. Процесс 5-8 - дросселирование части конденсата, идущего в испаритель. Процесс 8-9 - кипение в испарителе, а 6-7-1 - процессы нагрева воды и парообразования в парогенераторе. В машине совершаются два цикла. Если условно представить сжатие в эжекторе отдельно рабочего пара (процесс 2s-11) и холодного пара (процесс 9-10), то прямой цикл будет изображаться процессами 1-11-5-6-7-1, а обратный - процессами 9-10-5-8. В сопле потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую - процесс 1-2s; энергия прямого цикла передается обратному в камере смешения - процесс 2s-3-9; работа в обратном цикле затрачивается в диффузоре - процесс 3-4s. Процессы расширения 11-2s от давления рк до давления р0 с последующим сжатием смешанного пара (процесс 3-4s) от давления р0 до рк, по существу, выполняются для передачи работы прямого цикла обратному.
Таким образом, в машине осуществляются два цикла: круговой процесс 1-2-3-4-5-6-7-1 является прямым циклом, а круговой процесс 9-3-4-5-8-9 - обратным (холодильным) циклом. Если принять, что через испаритель проходит 1 кг рабочего вещества, то через парогенератор пройдет а (кг) рабочего пара, причем
. (4.1)Величина а, определяемая отношением массовых расходов рабочего пара Gр к холодному Gх, называется кратностью циркуляции или коэффициентом удельного расхода пара.
Принимая условие передачи работы прямого цикла обратному без потерь, можно записать для теоретического цикла, что аТl = l0, где l и l0 - соответственно работы прямого и обратного циклов, или
(4.2)где h - энтальпия в соответствующих точках цикла (см. рис. 4.2). Тепловой баланс машины можно представить в следующем виде:
(1 + ат)qк = q0 + атqг + атqн, (4.3)
где (1 + ат)qк = (1 + ат)(h4s – h5) - отведенная теплота; q0 = h9 – h8 - удельная холодопроизводительность; атqг = ат (h1 - h6) - теплота, подведенная к парогенератору; атqн = ат(h6 - h5) - работа насоса.
Эффективность работы прямого цикла оценивается термическим коэффициентом
(4.4)Холодильный коэффициент является энергетической характеристикой обратного цикла:
(4.5)Для энергетической оценки эффективности всей машины используют тепловой коэффициент ξт, равный отношению холодопроизводительности цикла к затраченной теплоте:
(4.6)Подставив в формулу (4.4) l = l0/ат и умножив ηt на εт, получают
(4.7)Термодинамическое совершенство цикла эжекторной ходильной машины так же, как и для других типов холодильных машин, можно оценить коэффициентом обратимости
(4.8)Здесь εт и ηt соответственно тепловой, холодильный и термический коэффициенты теоретического цикла;
εоб и ηtоб те же коэффициенты обратимого циклаε
(4.9) (4.10)где Т0 - температура охлажденной воды на выходе из испарителя, К; То.с - температура окружающей среды, К; Тh - температура греющего источника, К.
34. Использование низкотемпературных источников теплоты для получения холода. Устройство и цикл абсорбционной холодильной установки.
Наиболее сложным агрегатом компрессионной холодильной установки в конструктивном отношении и в обслуживании является поршневой компрессор и его силовой привод. Возможность создания холодильной установки без механического компрессора, а следовательно, и без силового привода известна давно. В 1860 г. французский ученый Эдмонд Карре получил патент на так называемую абсорбционную холодильную установку, совершающую термохимический цикл, для осуществления которого требуется затрата не механической работы, а теплоты.
Особенностью абсорбционной холодильной установки является использование для сжатия паров хладагента не механического, а термохимического компрессора. В качестве рабочего тела абсорбционных установок наиболее широко используется водоаммиачный раствор, в котором аммиак применяется в качестве хладагента, а вода — в качестве абсорбента. Хладагент должен иметь низкую температуру кипения и растворяться или поглощаться вторым рабочим телом, которое может быть как жидким, так и твердым. Второе вещество, поглощающее (абсорбирующее) хладагент, называется абсорбентом.
Схема простейшей абсорбционной установки приведена на рис. 18.8.
В генераторе 1 при подводе внешней теплоты +Q' происходит выпаривание хладагента из концентрированного водоаммиачного раствора при [1]
Рис. 18.8. Схема абсорбционной холодильной установки:
максимальном давлении в системе. Получающийся из водоаммиачного раствора аммиак поступает в конденсатор 2, где конденсируется при том же давлении, отдавая теплоту Qv а слабый водоаммиачный раствор для обогащения аммиаком направляется в абсорбер 5 через регулирующий вентиль 7. Жидкий аммиак из конденсатора 2 поступает через регулирующий редукционный вентиль 3 в испаритель 4, в котором давление значительно ниже, чем в генераторе 1 и конденсаторе 2. В испарителе аммиак кипит с поглощением теплоты Q2 охлаждаемого холодильной установкой тела (или помещения). Из испарителя 4 пары аммиака поступают в абсорбер 5, где они поглощаются слабым водоаммиачным раствором, перетекающим через регулирующий вентиль 7 из генератора 1. Процесс в абсорбере идет с выделением теплоты и происходит при минимальном для всей системы давлении. Интенсивное поглощение аммиака в абсорбере «отсасывает» (аналогично насосу) аммиачные пары из испарителя и тем самым поддерживает в нем непрерывный процесс кипения. Выделяющаяся в абсорбере теплота -Q" поглощается системой охлаждения (водяной или воздушной).
Так как давление в генераторе значительно выше, чем в абсорбере, то движение паров аммиака из генератора в конденсатор и далее движение конденсата через регулирующий вентиль в испаритель, а также движение слабого раствора из генератора в абсорбер осуществляются самопроизвольно под действием перепада давления. Перекачивание крепкого водоаммиачного раствора из абсорбера в генератор производится насосом 6. Следовательно, для работы абсорбционной холодильной установки механической энергии на привод насоса требуется значительно меньше, чем для привода компрессора.
Абсорбционная установка, рассчитанная на работу с малым перепадом давления между генератором и абсорбером, может быть выполнена безна- сосной. В этом случае движение водоаммиачного раствора осуществляется благодаря разности его плотностей на различных участках контура циркуляции, т.е. используется так называемая термосифонная циркуляция.
Безнасосные абсорбционные холодильные установки малой производительности широко используются при изготовлении холодильных шкафов (домашних холодильников).
Абсорбционные холодильные установки имеют ряд преимуществ в сравнении с компрессионными, основными из которых являются:
-
• возможность использования для получения холода теплоты пара, горячей воды или дымовых газов; -
• малый расход электроэнергии на привод насоса; -
• отсутствие компрессора и быстро изнашивающихся узлов.
Основными недостатками абсорбционных установок по сравнению
с компрессионными являются:
-
• большие габаритные размеры и масса; -
• значительный расход охлаждающей воды и теплоты на единицу получаемого холода.
При работе с электрическим нагревателем, когда нет возможности использовать дешевую теплоту пара или горячей воды, экономичность абсорбционной установки будет значительно ниже компрессионной.
В пароэжекторной холодильной установке пары рабочего тела (обычно воды) при низких значениях давления и температуры поступают в эжектор, в котором сжимаются до необходимого давления за счет энергии подводимого от котельной установки пара. Использование для сжатия эжектора вместо компрессора объясняется большими значениями удельного объема сухого насыщенного пара при низких температурах насыщения. Для необходимого повышения давления такого пара потребовался бы чрезмерно громоздкий компрессор. В эжекторе же сжатие реализуется за счет энергии дешевого пара с низкими параметрами.
Из эжектора пар направляется в конденсатор, где превращается в жидкость. Некоторая часть получаемой жидкости вновь закачивается насосом в контур котельной установки, в то время как остальная жидкость подвергается дросселированию, в результате чего при понижении давления и температуры образуется влажный пар небольшой степени сухости. В теплообменнике-испарителе этот пар подсушивается при постоянной температуре и постоянном давлении, отбирая теплоту у охлаждаемых предметов, а затем вновь поступает в паровой эжектор.
Поскольку затраты механической энергии на перекачивание жидкой фазы в абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках пренебрежимо малы, ими пренебрегают, и эффективность установок оценивается коэффициентом теплоиснользоваиия представляющим собой отношение отбираемой от охлаждаемых предметов теплоты к теплоте, используемой для реализации циклов:
Сопоставление коэффициента теплоиснользования с холодильным коэффициентом достаточно сложно. Однако можно констатировать, что пароэжекторные и абсорбционные холодильные установки дают возможность вместо дорогостоящей механической энергии использовать для получения холода относительно дешевую тепловую энергию теплоносителей с невысокими значениями температуры, что делает применение таких холодильных установок экономически оправданным.
Рассмотрим принцип действия эжекторной холодильной машины, принципиальная схема которой представлена на рис. 18.9.
Рис. 18.9. Принципиальная схема нароэжекторной холодильной машины:
1 — паровой котел (парогенератор); 2 — эжектор; 3 — теплообменник нагрузки; 4 — насос; 5 — испаритель; 6 — конденсатор; 7 — насос
В парогенератор 1 подводится теплота ?)к, водяной нар (Т
2. В узкой части эжектора давление струи уменьшается, в связи с чем подсасывается водяной пар из испарителя 5. За эжектором давление повышается, и пары направляются в конденсатор 6. Сконденсированная вода из конденсатора 6 подается частично в испаритель 5 через редукционный вентиль и частично насосом 7 обратно в парогенератор 1. В испарителе 5 температура воды понижается за счет испарения, и охлажденная вода насосом 4 прокачивается через теплообменник нагрузки 3 и через клапан сбрасывается обратно в испаритель 5.
35. Тепловые насосы. Совместное получение теплоты и холода.
При работе холодильных установок отбираемая от охлаждаемых предметов теплота передается «верхнему», или «горячему», источнику теплоты, в качестве которого обычно используется окружающая среда — чаще всего либо вода, либо окружающий установку воздух. Если речь идет о некотором замкнутом помещении, то температура воздуха в нем за счет работы холодильной установки должна постепенно подниматься. Таким образом, при определенных затратах энергии теплота «перекачивается» установкой от охлаждаемых предметов в имеющую большую температуру окружающую среду. Следовательно, существует возможность использовать источники теплоты, имеющие относительно невысокие температуры, для отопления. Подобный способ отопления оказывается в итоге более выгодным, нежели непосредственное использование для этих целей тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлив.
Соответствующие установки, применяемые для повышения температуры в помещении за счет низкотемпературных источников энергии, называются тепловыми насосами и с каждым годом находят в мире все большее распространение. Эффективность теплового насоса определяется коэффициентом трансформации теплоты р (см. параграф 5.6).
Как и холодильный коэффициент г, коэффициент р возрастает при понижении температуры «верхнего» источника теплоты Г, и при повышении температуры «нижнего» источника теплоты Т2. Следовательно, эффективность тепловых насосов возрастает в том случае, если для повышения температуры отапливаемого помещения используется источник теплоты с возможно более высокой температурой Т2. В связи с этим дополнительным преимуществом реальных тепловых насосов является возможность при соответствующем переключении понижать температуру в помещении в летний период, т.е. использовать их для кондиционирования воздуха. В этом случае отводимая при кондиционировании воздуха энергия может аккумулироваться в некотором тепловом аккумуляторе, повышая его температуру. В зимний период этот тепловой аккумулятор в комбинации с тепловым насосом используется для отопления. В этом плане особые выгоды обещает совместное использование тепловых насосов и сезонных аккумуляторов теплоты (CAT). Последние представляют собой участки грунта или подземные резервуары, в летний период аккумулирующие солнечную энергию, а в зимний период отдающие ее для отопительных целей.
Одинаковый принцип работы холодильных машин и тепловых насосов позволяет в одном агрегате вырабатывать как холод, так и теплоту, обеспечивая одновременно тепло- и хладоснабжение потребителя. Обычно такое сочетание является экономически выгодным. Источником теплоты для теплового насоса, используемого для отопления, могут быть воздух, вода и грунт. Приемником теплоты является отапливаемое помещение. Если температура источника теплоты изменяется (например, суточное изменение температуры воздуха), то эффективность теплового насоса также изменяется.
Схема отопления помещения тепловым насосом показана на рис. 18.10.
Рис. 18.10. Принципиальная схема отопления помещения тепловым насосом:
I — наружный воздух; II — воздух из помещения; 1 — отапливаемое помещение; 2, 5 — вентиляторы; 3 — испаритель; 4 — дроссель; 6 — охладитель; 7 — вентиль для отогрева испарителя; 8 — компрессор; 9 — электродвигатель; 10 — отделитель жидкости; 11 — регулировочный вентиль;
12 — ресивер; 13 — конденсатор
Наружный воздух I вентилятором 2 (или вода насосом) прокачивается через испаритель 3 и отдает теплоту Q(l кипящему в испарителе 3 рабочему телу цикла. Пары из испарителя 3 отсасываются компрессором 8> сжимаются и поступают в охладитель 6 и конденсатор 13. Вентилятор 5 (или насос) прокачивает комнатный воздух II или воду из системы отопления через охладитель 6 и конденсатор 13, и в результате в помещение передается тепло- та <2 = <2„ + К-
В качестве примера приведем характеристики теплового насоса НТ 80. Он работает по простейшей схеме одноступенчатого сжатия с поршневым компрессором в двух режимах: тепло- или хладоснабжения.
В испарителе теплового насоса теплота рабочему телу цикла (R12) может передаваться от водопроводной, артезианской или термальной воды. В режиме теплоснабжения теплопроизводителыюсть насоса достигает 130 кВт при температуре в испарителе не ниже 6°С. Потребителю подается 7,2 м3/ч нагретой до 58°С воды. В режиме хладоснабжения холодопроизводитель- ность достигает 163 кВт при температуре в испарителе 5°С и температуре конденсации 30°С. Потребителю может подаваться до 20 м
3/ч воды, охлажденной до 5°С, или холодный теплоноситель (рассол) с температурой до минус 25°С. Холодопроизводителыюсть при tn = 25°С не превышает 40 кВт. Общая потребляемая мощность составляет 43 кВт. Тепловой насос автоматизирован. Переключение с режима теплоснабжения на режим хладосиаб- жения осуществляется вручную.
В тех случаях, когда oднoвpeмeннo требуется получить теплоту и холод, целесообразно совместить циклы холодильной машины и теплового насоса в один обратный цикл, как это показано на рис. 2.44. На этом рисунке: цикл abcd – цикл теплового насоса, цикл 1-2-3-4 – цикл холодильной машины и, наконец, цикл АВСД – цикл совместного получения тепла и холода. Такой совмещенный цикл имеет следующее преимущество: если для одновременного получения тепла и холода с помощью теплового насоса и холодильной машины требуются два компрессора (для рабочего тела по линиям 1-2 и bc) и два детандера (для расширения рабочего тела по линиям 3-4 и da), то для этой же цели в совмещенном цикле имеется только один компрессор, сжимающий рабочее тело по линиям ВС и один детандер, в котором рабочее тело расширяется по линии ДА. Таким образом, установка, работающая по совмещенному циклу, требует вдвое меньше указанных машин, чем при раздельном получении тепла и холода в тепловом насосе и холодильной машине. Следовательно, установка, работающая по совмещенному циклу будет дешевле, проще и экономичнее следствие уменьшения потерь энергии в машинах на необратимость.
Так как затрата энергии в совмещенном цикле производиться в форме работы, то эффективность этого цикла можно охарактеризовать отношением суммы количества тепла q2 и холода qx к работе цикла
. (2.57)Так как q2=qx+ly, то
, (2.58)где
– холодильный коэффициент совмещенного цикла.Н
едостатком совмещенного цикла является то, что количество тепла q