9501

110

водимой теплоты для обоих циклов одинаково, то термический к.п.д. цикла Ренкина значительно ниже к.п.д. цикла Карно, совершающегося в пределах тех же температур.

Из рис. 66 видно, что работа цикла Ренкина, а, следовательно, и к.п.д.

этого цикла были бы значительно выше, если температура насыщения (точка 6)

при данном давлении была бы выше.

Так как зависимость tн = f (р) определяется физическими свойствами ра-

бочего тела, возникла мысль использовать в качестве рабочих тел для пароси-

ловых установок другие жидкости, для которых при тех же давлениях темпера-

тура кипения значительно выше температуры кипения воды. В качестве таких жидкостей были предложены ртуть и дифенил. Зависимость между давлением и температурой насыщения для воды, дифенила и ртути показана на рис. 67, а

таблица ртутных насыщенных паров приведена в специальной справочной ли-

тературе.

Ввиду дополнительных требований, предъявляемых к рабочему телу па-

росиловых установок, и трудности подыскания такого вещества, которое удов-

летворяло бы всем требованиям, осуществляют циклы с двумя рабочими тела-

111

ми. Такие циклы получили название бинарных циклов.

На рис. 68 дана тепловая схема бинарной ртутно-водяной установки.

Ртутный пар, полученный в котле 1, направляется в ртутную турбину 2.

Из турбины ртутный пар поступает в конденсатор-испаритель 3, в котором пар ртути конденсируется, а освободившаяся теплота расходуется на испарение во-

ды. Насыщенный водяной пар из конденсатора-испарителя поступает в паропе-

регреватель 4, затем в турбину 5 и далее идет в конденсатор 6; конденсат с по-

мощью насоса подается в конденсатор-испаритель. Жидкая ртуть из конденса-

тора-испарителя поступает в ртутный котел.

Рис. 68

Цикл 1-2-3-4-1 (см. рис. 66) представляет собой круговой процесс, совер-

шаемый ртутью.

Начальная точка цикла точка 1. Она характеризует состояние ртути при поступлении ее в ртутный котел. Линия 1-2 изображает нагрев жидкой ртути,

причем точка 2 соответствует температуре кипения при данном давлении. По-

следнее выбирают таким, чтобы температура в точке 2 соответствовала наи-

большей допустимой температуре. Уже при 1МПа для ртути температура кипе-

ния равна 515 °С. Линия 2-3 изображает парообразование в котле, 3-4 – адиа-

112

батное расширение ртутного пара в парортутной турбине и 4-1 – конденсацию отработавшего пара в конденсаторе-испарителе. Точку 4 выбирают в зависимо-

сти от того, какое давление выбрано для второго рабочего тела – воды.

Применение бинарных циклов значительно повышает термический к.п.д.

установки.

Задача

В паросиловой установке, работающей при начальных параметрах

р1 = 11 МПа; t1 = 500 °С; р2 = 0,004 МПа, введен вторичный перегрев пара при

р' = 3 МПа до начальной температуры t' = t1 = 500 °С.

Определить термический к.п.д. цикла с вторичным перегревом.

Решение

Рис. 69

Заданный цикл изображаем в диаграмме i-s и по ней находим (рис. 69): i1 = 3360 кДж/кг; i3 = 2996 кДж/кг;

i4 = 3456 кДж/кг; i2 = 2176 кДж/кг; i'2= 121,4 кДж/кг.

Работа 1 кг пара в цилиндре высокого давления (до вторичного перегрева)

113

i1 i3 3360 2996 364 кДж/ кг.

Работа 1 кг пара в цилиндре низкого давления (после вторичного пере-

грева)

i4 i2 3456 2176 1280 кДж/кг.

Суммарная работа 1 кг пара

l0 (i1 i3) (i4 i2) 364 1280 1644 кДж/ кг.

Подведенная в цикле теплота в паровом котле

i1 i2 3360 121,4 3238,6 кДж/ кг,

а при вторичном перегреве

i4 i3 3456 2996 460 кДж/ кг.

Количество теплоты, затраченной в цикле,

(i1 i2) (i4 i3) 3238,6 460 3698,6 кДж/ кг.

Термический к.п.д. цикла с вторичным перегревом

114

12. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Холодильные установки служат для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совер-

шает обратный круговой процесс, в котором в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается теплота от охлаждаемого тела.

Рис. 70

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно

(рис. 70). В результате осуществления этого цикла затрачивается работа l0 и те-

пло q от холодного тела переносится к более нагретому телу.

Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты q0 (произве-

денного холода) к затраченной работе q – q0 носит название холодильного ко-

эффициента и является характеристикой экономичности холодильной маши-

ны:

Очевидно, максимальное значение холодильного коэффициента при за-

данном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратно-

го цикла Карно, т. е.

115

Отношение ε характеризует степень термодинамического совершенства

εк

применяемого цикла.

В качестве холодильных агентов применяют воздух и жидкости с низки-

ми температурами кипения: аммиак, углекислоту, сернистый ангидрид и в по-

следнее время фреоны (галоидные производные насыщенных углеводородов).

12.1 Цикл воздушной холодильной установки

На рис. 71 дана схема воздушной холодильной установки: охлаждаемое помещение 1 или холодильная камера, в которой по трубам циркулирует охла-

жденный воздух; компрессор 2, всасывающий этот воздух и сжимающий его;

охладитель 3, в котором охлаждается сжатый в компрессоре воздух; расшири-

тельный цилиндр 4, в котором воздух расширяется, совершая при этом работу и понижая свою температуру. Из расширительного цилиндра холодный воздух направляют в холодильную камеру, где он, отнимая теплоту от охлаждаемых тел, нагревается и вновь поступает в компрессор. В дальнейшем этот цикл по-

вторяется.

На рис. 72 дан теоретический цикл воздушной холодильной установки в диаграмме p-v. Точка 1 характеризует состояние воздуха, поступающего в ком-

прессор; линия 1-2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка 2 – со-

стояние воздуха, поступающего в охладитель; точка 3 – состояние воздуха, по-

116

ступающего в расширительный цилиндр; линия 3-4 – адиабатный процесс рас-

ширения; точка 4 – состояние воздуха, поступающего в холодильную камеру

(охлаждаемое помещение), и линия 4-1 – процесс нагревания воздуха в этой камере. Площадь 1-2-6-5-1 измеряет работу, затраченную компрессорами на сжатие, а площадь 3-6-5-3 представляет собой работу, полученную в расшири-

тельном цилиндре. Следовательно, затрата работы в теоретическом цикле воз-

душной холодильной установки измеряется площадью 1-2-3-4, а количество те-

плоты, отнятой от охлажденных тел, равно количеству теплоты, воспринятой воздухом в процессе 4-1. Этот же цикл в диаграмме T-s изображен на рис. 73.

Площадь, лежащая под кривой 4-1, соответствует количеству теплоты q0, отве-

денной от охлаждаемых тел; площадь, лежащая под кривой 2-3, соответствует количеству теплоты, переданной охлаждающей воде в охладителе, а площадь

1-2-3-4-1 – работе, затраченной в цикле.

Рис. 73

Холодопроизводительность 1 кг воздуха q0 определяется из уравнения q0 i1 i4 cpm(T1 T4), (264)

где Т1 – температура воздуха, выходящего из холодильной камеры и посту-

пающего в компрессор; Т4 – температура воздуха, входящего в холодильную камеру; срт – средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном давле-

нии.

где Q0 и q0 – соответственно холодопроизводительность установки и холодо-

производительность 1 кг воздуха в кДж/с и кДж/кг (или в ккал/с и ккал/кг).

Холодильный коэффициент

Холодильный коэффициент можно выразить также в функции отношения конечного и начального давлений в компрессоре:

Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора,

если l0 выражено в кДж/кг.

Основным недостатком воздуха как холодильного агента является его ма-

лая теплоемкость, а, следовательно, и малое количество теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела 1 кг агента. Вследствие этого, а также других причин воздушные холодильные установки не получили широкого распространения.

118

12.2 Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Схема паровой компрессорной холодильной установки дана на рис. 74.

Насыщенный пар аммиака (или другого рабочего тела) при температуре, близ-

кой к температуре охлаждаемого помещения 1, всасывается компрессором 2 и

адиабатно сжимается. Из компрессора пар аммиака поступает в конденсатор 3,

где при постоянном давлении он конденсируется вследствие отнятия у него те-

плоты охлаждающей водой. Полученный жидкий аммиак поступает в редукци-

онный вентиль 4, в котором происходит его дросселирование, сопровождаемое падением давления и температуры. При этом аммиак частично испаряется.

Рис. 74

Полученный весьма влажный насыщенный пар (степень сухости х обыч-

но находится в пределах 0,01-0,15) с низкой температурой и является хладоно-

сителем. Его направляют в трубы охлаждаемого помещения, где за счет тепло-

ты, отбираемой от охлаждаемых тел, степень сухости его увеличивается, и он снова направляется в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.

На практике применяют паровые компрессорные установки с промежу-

точным теплоносителем. В качестве такого теплоносителя применяют рассо-

лы, т. е. растворы в воде различных солей, главным образом поваренной соли

NaCl, хлористого кальция СаС12 и хлористого магния MgCl2, не замерзающие при низких температурах.

119

Рис. 75

В этом случае в схему установки, изображенной на рис. 74, вводится до-

полнительно испаритель 5, в который направляется влажный пар аммиака по-

сле редукционного вентиля (рис. 75). В испарителе аммиак испаряется, отнимая теплоту от рассола. Охлажденный рассол при помощи насоса 6 направляется в охлаждаемое помещение 1, в котором он нагревается вследствие отнятия теп-

лоты от тел, подлежащих охлаждению, и возвращается в испаритель, где он снова отдает теплоту пару аммиака, поступающему в компрессор. В дальней-

шем этот цикл повторяется.

На рис. 76 в диаграмме T-s дан цикл изменения состояния 1 кг аммиака в паровой компрессорной установке с промежуточным теплоносителем. Точка 1

характеризует состояние пара аммиака при входе его в компрессор, линия 1-2 –

процесс адиабатного сжатия в компрессоре, точка 3 – состояние жидкого аммиа-

ка перед входом его в редукционный вентиль, в котором он подвергается дроссе-

лированию. Так как этот процесс характеризуется равенством значений энталь-

пий в начальном и конечном состояниях, то в точке 4, соответствующей состоя-

нию аммиака после дросселирования, последний имеет ту же энтальпию, что и в точке 3, Линия 4-1 соответствует процессу парообразования в испарителе.