ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГОУ ВПО «МГТУ»)

Кафедра «Энергетики и транспорта»

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Тепловые насосы»

для студентов специальности 140106 «Энергообеспечение предприятий»

очной, заочной и очно-заочной формы обучения

Мурманск 2010

Составитель – Попова О.М., ассистент кафедры энергетики и транспорта

Методические указания к практическим работам рассмотрены и одобрены на заседании кафедры энергетики и транспорта

^{название кафедры}

протокол № .

дата

Рецензент - Ф.И.О. преподавателя, ученая степень, звание, должность

Общие организационно-методические указания

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Тепловые насосы» состоят из 5 разделов, в которых изложены теоретические основы, анализ процессов, методики расчета тепловых насосов (термотрансформаторов) в целом и отдельных элементов. Основное внимание уделено решению задач, т.е. применению теоретических положений курса к практическим условиям проектирования термотрансформаторов.

Особенность курса «Тепловые насосы» заключается в обеспечении подготовки инженера-энергетика в области холодильной техники. Курс "Тепловые насосы" базируется на предшествующих дисциплинах, к которым относятся термодинамика, гидравлика, теплопередача и тепломассообменное оборудование.

Студенты изучают курс по литературе, перечень которой приведен в конце методических указаний.

Оглавление

1. Практическое занятие № 1: Изучение тепловых диаграмм хладагентов. Определение параметров точек и построение циклов в s-T и lgp-i диаграммах.

2. Практическое занятие № 2: Построение циклов и определение параметров точек цикла парокомпрессионных одноступенчатых термотрансформаторов.

3. Практическое занятие № 3: Построение циклов и определение параметров точек цикла парокомпрессионных многоступенчатых термотрансформаторов.

4. Практическое занятие № 4: Тепловой расчет и подбор одноступенчатых и многоступенчатых компрессоров для термотрансформаторов.

5. Практическое занятие № 5: Тепловой расчет и подбор теплообменных аппаратов для термотрансформаторов.

Приложения

Список используемой литературы

Практическое занятие № 1 Изучение тепловых диаграмм хладагентов. Определение параметров точек и построение циклов в s-t и lgp-I диаграммах.

Термотрансформатор (TT) - энергетическая установка, применяемая для передачи энергии в форме тепла от объектов с более низкой температурой Т_н (нижний источник тепла - НИТ) к теплоприемникам с более высокой температурой Т_в (верхний источник тепла - ВИТ). В соответствии со вторым законом термодинамики преобразование энергии (повышение потенциала) происходит с затратой внешней энергии любого вида (электрической, механической, химической и др.). Данные процессы классифицируются по положению НИТ и ВИТ к температуре окружающей среды:

• Если НИТ имеет температуру ниже температуры окружающей среды Т_н < Т_ос, а Т_в = Т_ос, то установки называются рефрижераторами или холодильниками. Предназначены для выработки холода, отвода в окружающую среду теплоты от тел, температура которых ниже температуры окружающей среды.

• Если НИТ имеет температуру Т_н  Т_ос, то установки называются тепловыми насосами (ТН). Цель ТН - использование тепла окружающей среды или тепла от низкопотенциальных источников.

• Если Т_н  Т_ос  Т_в, то установки называются комбинированными. Совмещает функции холодильной и теплонасосной установки.

Рисунок 1.1 – Трансформаторы тепла

Для осуществления процесса трансформации тепла применяются различного рода рабочие тела, термодинамические и физические свой­ства которых должны удовлетворять определенным требованиям, за­висящим от назначения установки и ее схемы, температурных уровней нижнего и верхнего источников тепла, условий долговечности установки и безопасности ее обслуживания.

Рабочие тела могут представлять собой как однородные вещества, так и смесь веществ. В процессе работы трансформаторов тепла рабо­чие вещества подвергаются в большинстве случаев фазовым превраще­ниям.

В качестве рабочих тел в трансформаторах тепла применяются:

• холодильные агенты — вещества, имеющие при давлении 1 бар низкую температуру кипения t_o. Эта температура составляет у холодильных агентов от +80 до -130° С. При t_o=-30 ÷ +80 ^оС холодильные агенты используются в большинстве случаев в качестве рабочего тела в теплонасосных установках. При t_o=0÷-130 ^оС холодильные агенты обычно используются в установках кондиционирования воздуха и в установках умеренного холода;

• воздух, а также газы и газовые смеси с низкими температурами кипения;

• рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок;

• вода. Использование воды в качестве холодильного агента ограничивается сравнительно высокой температурой тройной точки (t_т.т ≈0 ^оС). При данной температуре давление водяного пара составляет Р_т.т =0,0063 бар и удельный объем υ_т.т= 206 м³/кг. Поэтому вода используется в установках кондиционирования воздуха, где температура нижнего источника t_н≥ 0 ^оС. Вода также находит применение в установках абсорбционного и эжекционного типа.

Для определения параметров рабочего тела при расчетах циклов термотрансформаторов применяют таблицы хладагентов, а также тепло­вые диаграммы.

Наиболее распространенными являются диаграммы: энтропия – температура (s-T) и энтальпия - давление (i-р).

Диаграмма s-T. В диаграмме s-T по оси абсцисс откладывают значения энтропии s и проводят вертикальные линии постоянной энтропии (адиабаты); по оси ординат откладывают значения абсолютной темпера­туры Т и проводят горизонтальные линии постоянных Т - изотермы. На полученную сетку из адиабат и изотерм наносят пограничные кривые, характеризующие состояние соответственно насыщенной жидкости (х = 0) и сухого насыщенного пара (х = 1). Между обеими пограничными кривыми расположена область влажного пара 2. Пограничная кривая х=0 отделяет от области влажного пара 2 область переохлажденной жидкости 1, а кривая х=1 - область перегретого пара 3 от влажного. На диаграмме нанесены линии постоянных паросодержаний x; постоянных давлений р - изобары; постоянных удельных объемов и - изохоры; постоянных энтальпий i - изоэнтальпы (рис. 1.2, а). Изобара в области влажного пара совпадает с изотермой, а в области перегретого пара круто поднимается вверх. Подведенное и отведенное количество теплоты, затраченная и полученная работа изображаются в диаграмме s-T площадями. Теплота, подведенная к телу в изотермическом процессе 1-2, соответствует площади 1-2-а-b, теплота, отведенная в изобарическом процессе 3-4, - площа­ди 3-4-d-c (рис.1.2, б).

Рисунок 1.2 – Диаграмма s-T

Диаграмма lgp-i. Сетку диаграммы составляют горизонтальные линии - изобары и вертикальные линии - изоэнтальпы (рис. 1.3). Для удобства пользования диаграммой обычно по оси ординат применяют логарифмический масштаб (lg р). На диаграмме нанесены линии пос­тоянных t, s, х и р. Преимуществом диаграммы i-p является то, что теплота и работа для адиабатического процесса в ней изображаются не площадями, а отрезками по оси абсцисс. Так, теплота, подведенная в изотермическом процессе 1-2, равна разности энтальпий (отрезок 1-2, рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Диаграмма lgp - i

Все процессы в термотрансформаторах происходят по обратному термодинамическому циклу. Наиболее простым и совершенным в термодинамическом отно­шении циклом термотрансформатора является обратный цикл Карно, который осуществляется с минимальной затратой работы.

Допустим, что в процессах теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты разности t бесконечно малы. На рис. 1.4 (а) изображена схема идеального термотрансформатора и обратный цикл Карно в диаг­рамме s-T (рисунок 1.5, а). В испарителе к рабочему телу подводит­ся количество теплоты q_н (изотермический процесс 4-1), отнимаемое от источ­ника теплоты низкой температуры T_н (площадь 4-1-а-b). Рабочее тело испаряется при низком давлении р_о и Т_о. Пары рабочего тела сжимаются компрессором от начального давления р_о до конечного р_к (адиабатический процесс 1-2), при этом его температура повышается от T_о до темпера­туры окружающей среды или источ­ника высокой температуры T_к. На сжатие затрачивается работа l_сж. Из компрессора сжатые пары рабочего тела поступают в конденсатор (изотермический процесс 2-3), где теплота q_к (площадь 2-3-b-а) от рабочего тела отводится источнику высокой температуры Т_к, а рабочее тело конденсируется при Т_к и р_к. Чтобы рабочее тело вновь могло отнимать теплоту от источника низкой температуры, оно должно адиабатически расширяться в детан­дере (процесс 3-4) от давления р_к до p_о; при этом его температура умень­шится от Т_к до T_о, а рабочее тело совершает работу l_р. Таким образом, в результате осуществления обратного цикла теплота q_о отводится от источника низкой температуры Т_о и передается источнику высокой температуры Т_к. Для этого затрачивается работа цикла l_ц, равная разности затраченной в компрессоре и полученной в детандере работ: l_ц =l_сж-l_р

Рисунок 1.4 - Схема идеального трансформатора тепла (а) и обратный цикл Карно в диаграмме s—T (б)

Рисунок 1.5 - Обратные циклы Карно в диаграмме s—T:

а) холодильный, б) теплонасосный, в) комбинированный

В соответствии со вторым законом термодинамики тепловой баланс холодильной машины выражается равенством:

q_о+ l_ц ⁼ q_к (1.1)

Удельная массовая холодопроизводительность:

q_o=i₁-i₄ (1.2)

Удельная работа сжатия:

l_сж= i₂ – i₁ (1.3)

Удельная теплота, отводимая в конденсаторе

q_к =i₂ – i₃ (1.4)

Удельная работа расширения:

l_р= i₃ – i₄ (1.5)

Удельная работа цикла:

l_ц= l_сж-l_p (1.6)

Эффективность холодильного цикла

Эффективность холодильного цикла оценивается холодильным коэффициентом ε - отношением количества теплоты, отведенного от охлаждаемого источника, к затраченной работе:

ε= q_о / l_ц (1.7)

Подставляя значение l_ц из выражения (1.1), получаем

ε= q_о / (q_к - q_о ) =Т_о / (Т_{к -} - Т_о ) (1.8)

Выражение (1.8) показывает, что холодильный коэффициент цикла Карно не зависит от физических свойств рабочего тела, а является лишь функцией температур Т_о и Т_к. Он тем больше, чем выше Т_о и чем ниже Т_к. В действительных условиях работы источником низкой температуры является охлаждаемое тело (воздух, вода, рассол, про­дукт, грунт и т. д.), источником высокой температуры - охлаждающая среда: вода или воздух.

Согласно (1.8), чем больше холодильный коэффициент, тем меньше работы затрачивается на получение единицы холода, т.е. выше эко­номичность работы холодильной машины. Исходя из этого, при проек­тировании холодильной установки необходимо стремиться к возмож­но наиболее высокой T_о и к более низкой Т_к.

Рабочее вещество холодильного цикла называется холодильным агентом (хладагентом). Холодильные циклы реализуются в холодиль­ных машинах.

Эффективность цикла теплового насоса

Эффективность цикла теплового насоса оценивается отноше­нием полученной теплоты к затраченной работе, называемым коэф­фициентом преобразования или коэффициентом отопления:

μ = q_к / l_ц (1.9)

Коэффициент преобразования характеризует затрату работы l_ц на получение единицы теплоты в заданных условиях. Его можно выра­зить через температуры путем подстановки в уравнение (1.9) вместо l_ц разности q_к – q_о:

(1.10)

Выражение (1.10) показывает, что чем выше температура нагревае­мого тела Т_к и ниже Т_ос, тем меньше коэффициент преобразования, следовательно, больше работы затрачивается на получение единицы теплоты. Из уравнения (1.1) путем деления обеих частей равенства на l_Ц получим:

(1.11)

На рисунке 1.5 (в) показан обратный комбинированный цикл (теплофикационный). Состоит из двух циклов: холодильного 1-2-3-4 и теплового насоса 2-5-6-3. Обратный комбинированный цикл эффективнее двух отдельных циклов, так как в нем используется теплота на обоих температурных уровнях.

Степень термодинамического совершенства холодильного цикла оценивают путем сравнения его холодильного коэффициента с холодильным коэффициентом цикла Карно.

(1.12)