21
.pdf
Центр дистанционного обучения
Процессы и аппараты химической технологии
Лекция №21
ФИО преподавателя: Таран Юлия Александровна
e-mail: taran_yu@mirea.ru
Online-edu.mirea.ru
1 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Умеренное охлаждение
Общая характеристика холодильных процессов
Ряд химико-технологических и других процессов проводится при низких температурах (ниже, чем у окружающей среды). Осуществление такого рода процессов связано с производством искусственного холода. К числу протекающих при искусственном охлаждении относятся процессы:
-кристаллизации,
-сублимационной сушки,
-некоторые процессы абсорбции и адсорбции.
Холодильный процесс заключается в передаче теплоты от объекта с меньшей
температурой к объекту с большей температурой. Согласно второму началу термодинамики такой процесс не может происходить самопроизвольно, он осуществим только с затратами подводимой извне механической (или других видов) энергии, т.е. с затратой работы.
2online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Основные типы холодильных процессов
Умеренный
холод
Глубокий
холод
•умеренное охлаждение оперирует температурами до ̶ 001 ˚С.
•при производстве умеренного холода для передачи его охлаждаемой среде используются посторонние (не расходуемые) рабочие тела (нагреваемые жидкости и газы);
•поэтому холодильные циклы умеренного холода
полностью замкнуты по рабочему телу.
•глубокое охлаждение оперирует температурами ниже ̶ 100˚С
•при производстве глубокого холода охлаждаемая среда сама служит рабочим телом, она отбирается из холодильного цикла для технологических нужд;
•поэтому циклы глубокого холода замкнуты по рабочему телу не полностью.
Центр дистанционного обучения
Идеальная холодильная машина
Идеальная холодильная машина умеренного охлаждения теоретически нереализуема. Но ее рассмотрение позволяет уяснить принципы организации циклов умеренного охлаждения, осмыслить их стадии и ввести основные характеристики процесса.
Узел, в котором от объекта низкой температуры передается (отводится) теплота к рабочему телу, будем называть
нижним температурным источником; узел, в котором к объекту высокой температуры передается (подводится) теплота от рабочего тела, ― верхним температурным
источником.
Охлаждение веществ до температур, более низких, чем температура окружающей среды, как отмечалось выше, требует затраты внешней работы. Здесь уместна аналогия с перекачкой жидкости из области низкого давления насосом в область высокого давления. Поэтому схему передачи теплоты
в холодильных процессах именуют тепловым насосом.
4
online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
|
Наиболее совершенным является процесс охлаждения, |
|
обеспечивающий передачу максимального количества |
|
теплоты (производства максимального количества холода) на |
|
единицу затраченной работы. Этому условию удовлетворяет |
|
рабочий процесс, проводимый по обратному циклу Карно. |
|
Цикл Карно предусматривает две изотермические и две |
|
адиабатические операции; изотермический отвод теплоты от |
|
рабочего тела (РТ) в верхнем температурном источнике |
|
(холодильнике – конденсаторе ХК), адиабатическое |
Рис.1. Идеальная машина |
понижение температуры РТ в расширительной машине |
умеренного охлаждения: а - |
|
принципиальная схема, I - |
(детандере Д), изотермическое нагревание РТ в нижнем |
рабочее тело, II - |
температурном источнике (испарителе И) и адиабатическое |
|
|
охлаждаемая среда, III - |
повышение температуры РТ в компрессоре (К). При этом в |
|
|
охлаждающая среда; К - |
нижнем температурном источнике РТ получает теплоту от |
компрессор, ХК - |
охлаждаемой среды, т.е. последняя охлаждается ― в этом |
холодильник-конденсатор, цель процесса. Соответственно указанным выше операциям Д - детандер, И -испарительстроится идеальный цикл умеренного охлаждения (рис. 1, а):
5 online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
в компрессоре К происходит адиабатическое сжатие рабочего тела 1-2;
в холодильнике (здесь это конденсатор) ХК – изотермический отвод теплоты от РТ (конденсация) 2-3;
в детандере Д – адиабатическое расширение 3-4;
в испарителе И – изотермический подвод
Рис.1. Идеальная машина умеренного теплоты к РТ (кипение) 4-1.
охлаждения: а - принципиальная схема, б - диаграмма Т -s; I - рабочее тело, II - охлаждаемая среда, III - охлаждающая среда; К - компрессор, ХК - холодильникконденсатор, Д - детандер, И - испаритель
6online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
|
Установим первоначально характерные |
|
|||||||||||||
|
температуры РТ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Пусть |
|
|
|
исходная |
|
температура |
||||||||
|
охлаждаемой (целевой) среды равна |
; |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
среду надо охладить до |
(см. рис 1, а). |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Очевидно, |
|
что |
температура |
испарения |
||||||||||
|
рабочего |
|
тела |
н |
при |
его |
рабочем |
||||||||
|
давлении |
|
н |
в испарителе |
должна |
||||||||||
|
быть |
ниже |
температуры |
охлаждаемой |
|||||||||||
|
среды , чтобы теплота |
|
|
отнималась |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
от последней и передавалась РТ. |
|
|
|
|||||||||||
Рис.1. Идеальная машина умеренного |
Пусть |
теперь |
исходная |
температура |
|||||||||||
имеющегося на производстве хладагента, |
|||||||||||||||
охлаждения: а - принципиальная схема, б - |
|||||||||||||||
т.е. охлаждающей среды, |
равна |
; |
а |
||||||||||||
|
|||||||||||||||
диаграмма Т -s; I - рабочее тело, II - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
||
приемлемая |
конечная |
– |
. |
Тогда |
|||||||||||
|
|||||||||||||||
охлаждаемая среда, III - охлаждающая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в |
|
|
|
|
температура |
конденсации |
рабочего тела |
|||||||||||||
среда; К - компрессор, ХК - холодильник- |
|||||||||||||||
в |
при |
рабочем |
давлении |
в |
в |
||||||||||
конденсатор, Д - детандер, И - испаритель |
|||||||||||||||
холодильнике-конденсаторе ХК должна |
|
||||||||||||||
|
|
||||||||||||||
быть выше температуры хладагента , чтобы теплота |
х |
отнималась от РТ и переходила |
|||||||||||||
в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
к хладагенту. Температуру рабочего тела н |
называют |
температурой |
нижнего |
||||||||||||
источника, в– температурой верхнего источника. |
|
|
|
|
7 |
|
|
online.mirea.ru |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Центр дистанционного обучения
В компрессионной холодильной машине, работающей по идеальному циклу пары РТ сжимаются в компрессоре от давления до (затраты энергии). После сжижения в холодильнике-конденсаторе РТ расширяется в детандере (отдача энергии), давление снижается от до , и РТ подается в испаритель.
Идеальный цикл удобно изображать в диаграмме T–s (рис. 1, б). Стадии цикла (соответствуют схеме на рис.1, а):
1-2 – адиабатическое сжатие РТ в компрессоре (s = const);
2-3 – изотермическая и изобарическая конденсация паров РТ в конденсаторе ( в = const; в = const);
3-4– адиабатическое расширение РТ в детандере (s = const);
4-1 – изотермическое и изобарическое испарение РТ в испарителе ( н = const; н = const);
8online.mirea.ru
Центр дистанционного обучения
Диаграмма T–s отнесена к 1 кг рабочего тела (s – в Дж/(кг*К)), поэтому затраты энергии (работы) и количества теплоты также являются удельными, т.е. рассчитанными на 1 кг РТ. В диаграмме T–s удельная работа, затрачиваемая в компрессоре, измеряется площадью 12351, а удельная работа, получаемая (возвращаемая) в детандере, – 3453.
Следовательно, |
|
безвозвратный |
|
||||
расход |
|
энергии |
|
(удельная |
|
||
адиабатическая |
работа |
цикла), |
|
||||
измеряемый |
площадью |
12341, |
|
||||
составляет |
ад в н |
) ∆ . |
|
||||
Площадь 23672 выражает удельное |
|
||||||
количество |
теплоты |
конд в∆ , |
|
||||
отводимой хладагентом от РТ в |
|
||||||
конденсаторе, а площадь 14671– |
|
||||||
удельное количество теплоты |
|
||||||
н∆ , |
получаемой |
в |
испарителе |
|
|||
рабочим телом |
от |
|
охлаждаемой |
|
|||
среды, |
т.е. |
удельное |
количество |
|
|||
произведенного холода. |
9 |
online.mirea.ru |
|||||
|
|||||||
Центр дистанционного обучения
Расчеты и опыт эксплуатации показывают, что основную долю расходов при получении холода составляют затраты энергии. Для их оценки и сопоставления эффективности различных циклов вводят понятие о холодильном коэффициенте х , выражающем количество холода, производимого в испарителе, приходящееся на единицу затраченной адиабатической работы:
|
|
1 |
|
||
х |
|
|
|
ад |
|
Холодильный коэффициент х в определенном смысле оценивает термодинамическое совершенство рабочего цикла: чем выше х, тем выгоднее цикл, так как тем больше рабочее тело передает холода охлаждаемой среде (забирает от нее теплоты) за счет единицы затраченной работы.
10 online.mirea.ru