Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Для того, чтобы передать (принять) энергию от нагревателя (холодильника) обратимым образом необходимо, как мы убедились ранее, чтобы процессы теплообмена происходили изотермически. Изменение температуры РТ (от Tв до Tн и обратно), чтобы избежать необратимых потерь (диссипации энергии) должно происходить адиабатически и обратимо. Цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат называется циклом Карно. Его удобно изображать на T S диаграмме, где он имеет вид прямоугольника линии (стороны) которого представляют собой изотермы и адиабаты. Рисунок нарисовать самому.
1–2 – изотермическое расширение (в частности испарение влажного пара), (+) qпв = Tпв(s2 – s1);
2–3 – адиабатическое расширение, Pпвпн , Тпвпн , (+) lпн – рабочее тело совершает работу;
3–4 – изотермическое сжатие (в частности конденсация пара), (–) qнв = Tпн(s4 – s3);
4–1 – адиабатическое сжатие, Pпнпв , Тпнпв , (–) lпв – совершение работы над рабочим телом.
Отметим, что работа совершается на всех четырех участках lц = ∑lj ; а теплота подводится только на двух: qц = qпн + qпв = ∑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) .
Если тепло принимает окружающая среда, то Tпн = TОС hE = 1 .
Всю подведенную теплоту невозможно превратить в работу. Часть отдается приемнику при T = Tпн . Это один из вариантов формулировки второго начала термодинамики. Мы убедились, что КПД цикла Карно не зависит от природы РТ, а определяется только температурами нагревателя и холодильника. Это первая теорема Карно. Вторая теорема Карно утверждает, что КПД необратимой тепловой машины при получении того же количества теплоты за цикл, что и у машины Карно, будет меньше КПД цикла Карно (dlобр > dlнестат – было показано на семинаре). Покажем, что при осуществлении обратимого цикла достаточно общего вида когда температура РТ заключена в пределах T [Tн , Tв] его КПД не может превысить КПД цикла Карно с теми же температурами. На рис. 2 рассматриваемый цикл заключили в минимально возможный по площади цикл Карно. Касательные к циклу S = SA и S = SB определяют те точки A и B , в которых происходит изменение знака dQ (dQ = TdS , T > 0). На пути A → 1 → B система получает общее количество тепла:
Рис. 2.
а на пути B → 2 → A отдает тепло
Из этих неравенств следует:
что сразу позволяет оценить КПД рассматриваемого цикла сверху
Полученное неравенство представляет собой одну из формулировок второй теоремы Карно. Роль процессов отдачи тепла принципиальна: невозможно достичь удовлетворительного значения КПД, пока не будет обеспечен достаточно эффективный отвод тепла, необходимый для достижения более низкой температуры Tн . В настоящее время стремятся по возможности приблизиться к циклу Карно. Появился термин: карнотезация цикла.
В заданном интервале температур нельзя получить более высокий КПД, чем у обратимого цикла Карно (2-я теорема Карно). Однако есть циклы, по своей конфигурации отличные от цикла Карно, но при некоторых условиях имеющие термический КПД, равный КПД цикла Карно.
Рис. 1. Опять нету
Цикл 1–2–3–4 состоит из двух изотерм 1–2 и 3–4 и двух произвольных обратимых процессов 2–3 и 4–1 , эквидистантных в направлении оси S . Под эквидистантностью двух линий понимаем то, что эти линии отличаются одна от другой определенным сдвигом вдоль оси S на некоторую постоянную величину.
В процессе 1–2 от нагревателя передается РТ удельное количество теплоты qв = Tв(s1 – s2) . В процессе 2–3 РТ отдает количество теплоты q2–3 численно равное площади фигуры s3–3–2–s2 . Отметим, что для обратимого перехода 2–3 формально необходимо иметь бесконечно большое количество промежуточных источников теплоты (теплоприемников), температура которых отличается друг от друга на бесконечно малую величину. В процессе 3–4 РТ изотермически сжимается, отдавая в холодильник удельное количество теплоты qн = Tн(s3 – s4) . В процессе 4–1 РТ поглощает количество теплоты q4–1 , численно равное площади фигуры s4–4–1–s1 . При этом в качестве промежуточных теплоотдатчиков используются те же источники теплоты, которые применялись в процессе 2–3 в качестве теплоприемников. В рассмотренном случае происходит перенос теплоты с одних участков цикла на другие. Такой процесс называется регенерацией теплоты.
В силу эквидистантности кривых (процессов) 2–3 и 4–1 площади фигур s3–3–2–s2 и s4–4–1–s1 равны, значит равны по величине теплоты q2–3 и q4–1 (q2–3 = – q4–1), что влечет за собой в конечном итоге совпадение КПД данного цикла и цикла Карно
h = hК = 1 – Tн/Tв .
Цикл, в котором применяется регенерация теплоты, называется регенеративным циклом. Построенный здесь регенеративный обратимый цикл называется обобщенным (регенеративным) циклом Карно. Ввиду их высокого КПД такие циклы получили широкое распространение в энергетических установках.
Обратный цикл применяется в холодильных, криогенных машинах и некоторых других устройствах. Классический ОЦ – цикл Карно, проходимый в обратную сторону.
Рис. 2.
1–2 изотермическое сжатие (конденсация), (–) qпв = Tпв(s2 – s1);
2–3 адиабатические расширение, (+) lпн , Pпвпн , Тпвпн (РТ совершает работу);
3–4 изотермическое расширение (например испарение влажного пара), (+) qпн = Tпн(s4 – s3);
4–1 адиабатическое сжатие, (–) lпв , Pпнпв , Тпнпв.
lц = ∑lj ; аналогично прямому циклу qц = qпн + qпв = ∑qj , u = 0 lц = qц . Как и в прямом цикле, работа, в общем случае совершается на всех (4-х) участках.
Так как Tпв > Tпн , то qпн < qпв (но qпв < 0) qц < 0 , т. е. для того, чтобы передать теплоту более нагретому телу необходимо затратить работу.
Холодильный коэффициент цикла.
Холодильный коэффициент цикла определяется как отношение подводимой теплоты от холодного источника qпн к затрачиваемой работе lц :
e = qпн/lц = qпн/(qпв + qпн) = qпн/(qпн – qпв) , e < 0,
и, в определенных случаях, может быть e > 1 . В обратном цикле отводится теплоты больше, чем подводится. Холодильный коэффициент цикла характеризует эффективность цикла (вместо КПД прямого цикла).
Для обратного цикла Карно: s2 = s3 , s4 = s1
Холодильный коэффициент цикла обратного цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемых при тех же температурах теплоисточника и теплоприемника. В расчетах часто используют e и eК:
Для обратного холодильного цикла определим эксергетический КПД
hE = eпол/eзатр = eq,пн/lц = qпнtE/lц = etE ; (tE = 1 – TОС/Tпв) .
Если приемником теплоты является ОС (Tпв = TОС), то hE = 1 . При Tпн < TОС , tE < 0 , т. е. затрачивается работа, связанная с переходом тепла на уровень TОС . При этом hE > 0 , т. к. e < 0 .
Для полной оценки эффективности обратного цикла величины e не достаточно, поскольку энергетическая ценность величины qпн зависит от температуры нижнего уровня Tпн при фиксированном значении Tпв (см. рис. 3). В то же время эксергетический коэффициент hE как функция Tпн имеет максимум, что позволяет выбрать оптимальные условия работы обратного (холодильного) цикла.
Главным при классификации является соотношение диапазона температуры в цикле Tн и Tв к уровню температуры окружающей среды (см. рис. 4). Непонятно.
Назначение холодильных установок (ХУ) и криогенных установок (КУ):
1) Рефрижераторы: охлаждение внешних объектов до Tпн < TОС .
2) Ожижители: для перевода внешних объектов в жидкое или твердое состояние при Tпн < TОС .
3) Разделительные установки: для разделения газовых смесей при Tпн < 120º К .
По агрегатному состоянию рабочего тела установки разделяют на 1) газовые; 2) газожидкостные; 3) парожидкостные; 4) твердотельные.
Понижение температуры рабочего тела осуществляется двумя путями за счет внутреннего охлаждения при расширении. Либо 1) необратимого дросселирования (без выполнения работы); либо 2) детандирование (адиабатный процесс с выполнением работы). Детандер – машина, предназначенная для понижения температуры РТ при его расширении с отдачей внешней работы.
В химической технологии ХУ используются при проведении сушки, кристаллизации, адсорбции, абсорбции, кондиционирования воздуха, экзотермических реакций (их торможение).
Основной характеристикой любой установки является ее производительность. Производительность (холодопроизводительность) рефрижераторов:
Q0 = mXAqпн , [Q0] = Вт .
Количество тепловой энергии которое отводится от объекта на единицу массы хладагента, называется удельной массовой холодопроизводительностью (qпн [Дж/кг]). mXA – массовый расход циркулирующего ХА [кг/с] . Стандартная холодопроизводительность определяется при tпн = –15º С при tпв = 30º С .
Для оценки установки, особенно многоцелевой, целесообразно свести все разнообразные показатели к одному обобщенному показателю. Для этого используется единый для всех случаев показатель – эксергетическая производительность. Применительно в ХУ и КУ она называется эксергетической хладопроизводительностью. Для рефрижераторов:
где j количество температурных уровней (нижних) накоторых получают холод. Удельная холодопроизводительность рефрижераторов является практически реальным холодильным коэффициентом
e = Q0/N , nуд = 1/e , hE = EQo/N = Q0te/N = ete ,
учитывающим потребляемую мощность N ,
N = mXAlцд ,
где lцд – действительная работа цикла, hE – эксергетический КПД, nуд – удельный расход мощности на единицу продукта. Для ожижителей и разделительных установок величина nуд определяется так:
nуд = N/mЖ ,
где mЖ – массовый расход жидкости.
Величины e и nуд в отличие от hE не отражают непосредственно эффективность установки, поскольку на разных температурных уровнях Tпн энергетическая ценность одной и той же холодопроизводительности Q0 различна.
Холодильной машиной называется машина, осуществляющая перенос теплоты с низкого температурного уровня на более высокий. Холодильная машина, в которой холодильный цикл осуществляется при помощи механического компрессора называется компрессионной холодильной машиной. В паровой компрессионной машине холодильный агент изменяет свое агрегатное состояние.
Цикл идеальной машины.
Рис. 5.
Цикл идеальной машины проходит как обратный цикл Карно. Хотя обратимый цикл Карно имеет максимальный холодильный коэффициент при заданных Tпв и Tпн , он не применяется в промышленности из-за следующих основных недостатков:
1) Процесс 1–2 сжатие влажного пара – приводит к быстрому износу компрессора.
2) Процесс 3–4 расширение в области влажного пара – не отдает значимой работы, но требует для своего осуществления сложной машины.
Схема установки представлена на рис. .
КМ – компрессор, К – конденсатор. Участок 2–3 установки изотермический Tпв = const и изобарический Pпв = const . ДТ – детандер, И – испаритель. Процесс на участке 4–1 установки также изотермический Tпн = const и изобарический Pпн = const .
Они отличаются от идеальных: 1). Сложный по конструкции детандер заменяется простым устройством – дроссельным регулирующим вентилем (дросселем). Протекание процесса в нем необратимое. 2). Добавляется дополнительный теплообменник (переохладитель конденсата). 3) Сжатие ХА компрессором происходит не в области влажного пара, а в области перегретого пара. При этом компрессор засасывает сухие насыщенные, или даже несколько перегретые пары. Работа сжатия теоретически увеличивается, однако практически производительность компрессора существенно выше при сухом ходе для всех ХА. 4) После конденсации паров ХА этот конденсат обычно переохлаждается на (5…10)К по сравнению с температурой конденсации, что несколько увеличивает холодопроизводительность.
Рис. 7.
1–2 – адиабатное сжатие ХА в компрессоре КМ; Pпнпв , Т12, h = lp
lКМ = lp = h1 h2 (1)
техническая работа. Реальный процесс обычно проходит по политропе (s2 < s1). Формулу для работы компрессора в этом случае обсудим при выполнении лабораторной работы.
2–3 – охлаждение перегретого пара ХА до состояния насыщения и его конденсация 3–4 . Pпв = const , Т23 = Т4 = Тпв = const. qпв = h4 h2 .
4–5 – переохлаждение конденсата при том же давлении Pпв , qОХЛ = h5 h4 .
5–6 – процесс дросселирования: h5 = h6 , s6 > s5 , Pпвпн , Т56 = Тпн .
6–7 – испарение ХА при Pпн = const , Тпн = const . Теплота перегрева паров ХА, процесс 7–1 включается в общий расчет: qпн = h1 h6 . Это отвод теплоты от ХН. Холодопроизводительность определяется площадью под линией 6–7–1.
Температура ТХН ХН, отдающего теплоту qпн должна быть выше Тпн . Рекомендуемая средняя разность температур в испарителе ТИ = ТХН Тпн = 5 . Холодильный коэффициент действительного цикла:
e = qпн/lЦ = (h1 h6)/(h1 h2) .
Если вместо дроссельного вентиля использовать детандер, то процесс протекал бы по линии 5–5 (обратимая адиабата). Это привело бы к увеличению холодопроизводительности на величину, измеряемую площадью прямоугольника s5–5–6–s6 . Потеря холодопроизводительности напрямую связана с необратимым переходом работоспособной энергией ХА в тепловую при дросселировании. Обычно доля потерь холодопроизводительности по сравнению со схемой, включающей вместо дросселя расширительный цилиндр невелика.
Расход ХА в цикле mХА (кг/с) , находится по заданной холодопроизводительности Q0 :
mХА = Q0/qпн .
По значению Q0 рассчитывается испаритель. По значению величины
Qпв = qпвmХА
рассчитывается конденсатор. При наличии переохладителя:
QОХЛ = qОХЛmХА , (qОХЛ = h5 h4).
Удельную работу цикла можно рассчитать по диаграмме h–s при s = const как работу идеального адиабатного процесса [см. (1)].
lЦ = lКМ = lpАД = h1 h2АД .
Далее следует учесть отличие реального процесса общим КПД hКМ компрессора и рассчитать мощность на валу приводного двигателя компрессора по ранее приведенным формулам.
Двух- и многоступенчатые холодильные машины
Одноступенчатые машины используются для осуществления холодильных циклов при сравнительно небольшой разности температур испарения (кипения) и конденсации. Практически одноступенчатые машины применяются при отношении давлений pпв/pпн < 9 .
Когда необходима большая разница температур tпн и tпв и, следовательно, большее значение pпв/pпн , используются двух или многоступенчатые машины. Двухступенчатые машины используются для достижения tпн (60 80)C , когда pпв/pпн (7 100) . Трехступенчатые для tпн < 80C , когда pпв/pпн > (80…100).
Один хладагент циркулирует во всех ступенях, соединенных промежуточным сосудом.
Каскадные парокомпрессионные холодильные машины
Для получения низких температур (50 90)C наряду с многоступенчатыми машинами применяют так называемые каскадные парокомпрессионные холодильные машины. В такой машине осуществляется несколько холодильных циклов и охлаждение конденсирующего ХА в одном цикле осуществляется ХА в другом цикле. Т.е. циклы связаны между собой с помощью теплообменного аппарата. Такой аппарат для одного каскада выполняет роль конденсатора, а для другого роль испарителя. Используются разные ХА.
96. Методы регулирования параметров теплоносителей. Теплоснабжение предприятий: источники и потребители теплоты, режимы теплопотребления, системы теплоснабжения. 238-244
97. Центральные и местные тепловые пункты и требования к теплоиспользующим установкам. 245-246