- •Министерство сельского хозяйства рф
- •Раздел 1 Техническая термодинамика
- •Глава 1 Законы термодинамики
- •1.2. Законы термодинамики
- •Глава 2 термодинамические свойства рабочих тел
- •2.1. Рабочее тело тепловых машин
- •2.2. Теплоемкость гав и газовых смесей
- •2.3. Термодинамические процессы
- •Глава 3 пар и влажный воздух
- •3.1. Парообразование жидкостей
- •3.2. Влажный воздух
- •Глава 4 термодинамика газового потока
- •4.1. Уравнения и параметры движущегося газа
- •4.2. Течение газа в каналах
- •Глава 5 Циклы тепловых машин
- •5.1. Цикл Карно
- •5.2. Идеальные циклы поршневых двс
- •5.3. Идеальный цикл газотурбинного двигателя
- •15.4. Цикл паросиловой установки
- •5.5. Цикл универсальной тепловой машины Стирлинга
- •5.6. Циклы компрессоров
- •5.7. Циклы холодильных машин
- •Раздел II Основы теории теплообмена
- •Глава 6. Теплопроводность
- •6.1. Терминология теплообмена
- •6.2. Сущность теплопроводности
- •6.3. Стационарная теплопроводность
- •6.4 Понятие о решении задач нестационарной теплопроводности
- •Глава 7 Конвективный теплообмен
- •7.1. Теплоотдача
- •7.2. Основы теории теплового подобия
- •7.3. Теплоотдача при естественной конвекции
- •7.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции
- •7.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- •Глава 8 Лучистый теплообмен
- •8.1. Закономерности лучистого теплообмена
- •8.2. Лучистый теплообмен между телами, разделенными
- •8.3. Лучистый теплообмен в камерах сгорания
- •Теплопередача и теплообменные аппараты
- •9.1. Уравнение теплопередачи
- •9.2. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки
- •9.3. Теплопередача через оребренную стенку
- •9.4. Интенсификация теплопередачи
- •9.5. Тепловая защита
- •9.6. Теплообменные аппараты
- •9.7 Тепловые трубы
- •Приложение
- •Соотношения между единицами давления
- •Теплофизические свойства металлов и сплавов
5.7. Циклы холодильных машин
5.7.1. Способы получения низких температур
В жилых и коммунально-бытовых помещениях, в сельскохозяйствен-
ных сооружениях, при технологических процессах переработки и хранения продукции сельскохозяйственного производства и т.п. порой возникает необходимость иметь температуры более низкие, чем окружающая среда. Снизить температуру в помещении или какого-нибудь объекта можно естественным путем. В этом случае надо создать условия для самопроизвольного процесса переноса тепла к телу с более низкой температурой. Такими телами, например, являются: лед (вода в твердом состоянии), сухой лед (твердое состояние двуокиси углерода) и др. В настоящее время низкие температуры в основном создаются искусственным путем с затратой энергии.
Машина, осуществляющая искусственное охлаждение с помощью подводимой энергии, называется х о л о д и л ь н о й м а ш и н о й.
Вхолодильных машинах осуществляется переход теплоты от тел, менее нагретых, к телам, более нагретым в результате осуществления обратного цикла. Схематично это представлено рисунком 5.28 Теплота от охлаждаемого тела с температуройTХ передается в окружающую среду, имеющую температуру ТГ, в два этапа.
Первый этап – самопроизвольный процесс перехода теплоты от охлаждаемого тела к рабочему. Он возможен в случае, если температура рабочего тела будет меньше, т.е. T`рm< Tx. Уменьшение температуры рабочего тела возможно при его дросселировании, при адиабатном расширении, при движении газа в вихревой трубе.
Второй этап – отвод теплоты от ра-
бочего тела в окружающую среду.
Рис. 5.28
Для того, чтобы этот процесс протекал самопроизвольно необходимо иметь температуру рабочего тела Т`рm > TГ. Для повышения уровня температуры с T`pm до T``pm между первым и вторым этапом к рабочему телу необходимо подвести энергию, например, в форме работы l0.
Таким образом, для самопроизвольного процесса переноса тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду, рабочее тело за счет постороннего источника должно периодически изменять свою температуру в пределах от T`pm до T``pm .
. Энергетическая эффективность циклов холодильных установок характеризуется холодильным коэффициентом :
(5.13)
Его величина показывает, какое количество теплоты отводится от охлаждаемого тела при затрате единицы работы. В отличие от коэффициента полезного действия тепловых двигателей, показывает эффективность использования подведенной энергии в обратном цикле. Так как подведенная энергия может быть больше или меньше отведенной теплоты от охлаждаемого тела, холодильный коэффициент может иметь значения больше или меньше единицы.
В зависимости от температуры, которая должна быть достигнута при охлаждении, различают холодильные установки умеренного холода, охватывающие область температур до 70 оС и установки глубокого холода, с областью температур до 200 оС и ниже. Последние обычно используются для сжижения воздуха и других газов.
Наиболее распространенными холодильными машинами являются паровые компрессорные, абсорбционные, воздушные компрессорные.
5.7.2. Цикл паровой компрессорной холодильной машины
Рабочим телом (х л а д а г е н т о м) паровых компрессорных холодильных машин являются пары различных веществ: аммиака, углекислоты, сернистого ангидрида, фреонов*. Более полная информация о хладагентах дана в работе [8]. В таблице 5.2 приведены данные некоторых хладагентов, а в табл. 7 Приложения – теплофизические свойства широго используемого хладагента – фреона – 22. Удельная холодильная мощность таких веществ высокая, что позволяет выполнять холодильные машины компактными и удобными в эксплуатации. Особенностью циклов данных холодильных машин является то, что подвод тепла к холодильному агенту протекает в процессе его кипения, а отвод – в основном в процессе конденсации.
Таблица 5.2
Хладагент |
Химическая формула |
, кг/моль |
к = |
tн,0С при p=1·105Па |
tкр,0С при p=1·105Па |
Аммиак |
NH3 |
17,03 |
1,30 |
-33,4 |
-77,7 |
Углекислота |
CO2 |
44,01 |
1,30 |
-78,5 |
-56,6 |
R - 12 |
CF2Cl2 |
120,92 |
1,14 |
-29,8 |
-155 |
R - 13 |
CF3Cl |
104,47 |
1,15 |
-81,5 |
-180 |
R - 21 |
CHFCl2 |
102,92 |
1,16 |
-8,9 |
-135 |
R - 22 |
CHF2Cl |
86,48 |
1,20 |
-40,8 |
-160 |
R - 114 |
C2F4Cl2 |
170,91 |
1,11 |
-3,5 |
-94 |
Принципиальная схема паровой компрессорной холодильной машины (ПКХМ) приведена на рис.5.29.
Рассмотрим работу ПКХМ с сухим ходом компрессора.
Сухой насыщенный пар хладагента с давлением p1, температурой T1, степенью сухости х=1 всасывается компрессором К и адиабатно сжимается. Степень повышения давления в компрессоре должна обеспечить превышение температуры хладагента над температурой окружающей среды или температурой охлаждающего теплоносителя. На сжатие затрачивается работа l0.
Из компрессора перегретый пар с давлением p2 и температурой T2 поступает в теплообменник Т (конденсатор), в кото- Рис. 5.29
ром теплота q1 самопроизвольно передается какому-либо теплоносителю. Процесс отвода тепла идет при постоянном давлении p3=p2, при этом температура уменьшается до температуры насыщения T3=Tн, и пар полностью конденсируется, х = 0.
Из конденсатора хладагент подается в дроссельное устройство Д В дросселе давление хладагента снижается до величины p4., что приводит к снижению его температуры фазового перехода.. Степень дросселирования устанавливается токой, чтобы Т4 была меньше температуры охлаждаемого тела. Уже в дроссельном устройстве хладагент начинает закипать..
Далее парожидкостная смесь (влажный хладагент) поступает в испаритель И. В испарителе к хладагенту при неизменном его давлении подводится тепло от охлаждаемого тела. Температура хладагента не изменяется (происходит фазовый переход - выкипает жидкая фаза во влажном паре) до состояния, когда степень сухости пара достигнет величины х =1. Образовавшийся пар при р1=р4 и Т1=Т4 вновь засасывается компрессором. И цикл повторяется.
На рис. 5.30 изображен идеальный цикл паровой компрессорной холодильной машины в Ts-координатах. Он состоит из процессов:
1-2 – адиабатное сжатие пара в компрессоре;
2-2 – изобарное охлаждение перегретого пара в конденсаторе;
2-3 – конденсация пара при постоянных температуре и давлении;
3-4 – изоэнтальпа дросселирования;
4-1 – изотерма подвода тепла к влажно-
Рис. 5.30 му пару от охлаждаемого тела в испарителе. Давление в этом процессе не изменяется.
Холодильный коэффициент рассматриваемого цикла вычисляется по формуле:
или , (5.14)
где q2 = i1 - i4; l0 = i2 – i1.
Для простоты вычисления холодильного коэффициента на практике используютpi-диаграммы хладагентов. На рис.5.31 изображен цикл паровой компрессорной холодильной машины в pi -координатах.
1-2 – адиабата сжатия рабочего тела;
2-2`– изобара охлаждения перегретого пара;
2`-3 – изобара отвода тепла при конденсации;
3-4 – изоэнтальпа дросселирования;
4-1 – изобара подвода тепла
к хладагенту в испарителе.
Рис. 5.31 Преимущество изображения цикла
холодильной установки в pi-координатах состоит в том, что изменение энтальпий в процессах измеряется отрезками оси абсцисс. Холодильный коэффициент, определенный с помощью pi -диаграммы, запишется как
.
5.7.3. Цикл абсорбционной холодильной машины
Рассмотрим цикл холодильной установки, в которой задействован процесс а б с о р б ц и и (поглощение паров хладагента всем объемом жидкого растворителя с образованием бинарной смеси). Перепад давления для циркуляции хладагента создается в результате процессов абсорбции и выпаривания в дополнительном контуре, а понижение температуры рабочего тела происходит в процессе дросселирования.
Наибольшее применение получили водоаммиачные холодильные машины, в которых аммиак является хладагентом, имеющим более низкую температуру кипения, а вода – абсорбентом. Схема абсорбционной водоаммиачной холодильной машины приведена на рис.5.32. Из испарителя И аммиак с температурой T1 и давлением p1 поступает в абсорбер А. Вода, используемая. в качестве абсорбента, поглощает аммиак с выделением теплоты. Чтобы не уменьшалась поглотительная способность раствора, теплота абсорбции q3 отводится из абсорбера каким-либо теплоносителем. Полученный крепкий водоаммиачный раствор перекачивается насосом Н в парогенератор П, где в процессе подвода теплоты q0 происходит выпаривание из раствора аммиака. В парогенераторе давлении p2 создается таким, чтобы температура аммиачного пара превышала температуру теплоносителя, охлаждающего конденсатор К. Рис. 5.32
Процесс охлаждения и конденсации хладагента протекает при постоянном давлении. В дросселе Д1, вследствие уменьшения давления, аммиак начинает кипеть, его температура снижается. В испарителе за счет подвода тепла q2 от охлаждаемого тела продолжается фазовый переход хладагента из жидкого состояния в газообразное. Далее цикл повторяется. В контуре циркуляции абсорбента установлен дроссель Д2 для понижения давления воды до p1.
Цикл абсорбционной водоаммиачной холодильной машины представлен на рис. 5.33. Процессы, происходящие с аммиаком в абсорбере и в парогенераторе, допустимо заменить условным процессом 1-2, близким к изохоре. В этом процессе повышаются давление, температура и растет энтропия. При таком допущении цикл состоит из процессов:
1-2 – изохора повышения температуры и давления;
2-2`- изобара отвода тепла в конденсаторе до температуры конденсации аммиака;
2-3 – изотерма конденсации хладагента;
3-4 – изоэнтальпа дросселирования;
4-1 – изотерма кипения аммиака.
Холодильная мощность водоаммиачной холодильной машины Nx определяется как
Nx= q2 · x , (5.15)
где q 2 – тепловая нагрузка испарителя;
x – массовый расход аммиака.
Тепловая нагрузка q2 входит в уравнение теплового баланса абсорбционной машины
q1 +q3 = q2 + qo + lн,
Рис. 5 33 где lн – удельная работа, затраченная на привод водяного насоса. Величина ly, незначительна, и ею в расчетах обычно пренебрегают.
Степень экономичности работы абсорбционной холодильной машины характеризуется к о э ф ф и ц и е н т о м и с п о л ь з о в а н и я т е п л о-
т ы , равным отношению тепловой нагрузки испарителяq 2 к подведенной теплоте в парогенераторе q0:
. (5.16)
В работах [1, 8, 9] рассмотрен анализ циклов воздушно-компрессорных, пароэжекторных, термоэлектрических, холодильных машин и установок с вихревой трубой.
5.8. Цикл теплового насоса
В процессе работы холодильной установки происходит трансформация теплоты от низкотемпературных тел к высокотемпературным. Это позволяет использовать холодильный цикл в целях отопления. Холодильные установки, используемые для нагревания объектов, именуют т е п л о в ы м и н а с о а м и или т р а н с ф о р м а т о р а м и т е п л а.
Тепловым насосом называют установку, при помощи которой осуществляется перенос энергии в форме тепла от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения..
Для осуществления теплонаносного процесса необходима затрата внешней энергии. От вида используемой энергии тепловые насосы классифицируются на компрессорные, абсорбционные, струйные, термоэлектрические и др. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса служит окружающая среда, например, вода рек, озер и других водоемов, а в качестве рабочего тела обычно используются фреоны.
На рис. 5.34 приведена схема теплового насоса. В испаритель И парожидкостная смесь поступает при низкой температуре. В процессе подвода от внешней среды теплоты q2 фреон полностью испаряется и поступает в компрессор К. Сжатие газа в компрессоре должно осуществляется до температуры, превышающей температуру нагреваемого объекта. В рекуператорер – конденсаторе РК энергия в форме тепла q1 отводится низкотемпературным теплоносителем к тепловым приборам ТП в помещение. Сконденсированный фреон поступает в дроссель, где его давление и температура понижаются. Далее цикл повторяется. Потребитель теплоты получает, таким образом, кроме “даровой” теплоты q2, перенесенной от окружающей среды, также теплоту, эквивалентную затраченной работе l0 .
В координатах Ts цикл теплового насоса изображается подобно циклу ПКХМ (рис.5.30).
Экономичность цикла теплового насоса характеризуется к о э ф ф и ц и- Рис. 5.34
е н т о м п р е о б р а з о в а н и я теплоты или к о э ф ф и ц и е н о м
т р а н с ф о р м а ц и и,
. (5.17)
При коэффициенте преобразования теплоты = 3...4 потребитель получит теплоты в три–четыре раза больше, чем при обычном электронагреве. Экономичность теплонаносной установки снижается с ростом отношения Тв /Тн (Тв , Т н – верхний и нижний температурные уровни, К) см. [12].
Тепловые насосы наиболее целесообразно использовать для обеспечения постоянной тепловой нагрузки при наличии источника, способного сохранять