Vі. Обратные циклы.

Цикл паровой компрессорной холодильной установки.

Основной задачей холодильных установок является перенос теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой за счет затраты внешней механической работы.

Рис. 6.1 Обратный цикл Карно

Идеальным циклом холодильной установки является обратный цикл Карно (рис. 6.1). В ходе цикла теплота q₁ передается от тела с температурой Т₁ к телу с температурой Т₂ за счет работы цикла ℓ_ц, при этом Т₂>Т₁.

Рис. 6.2. Схема паровой компрессорной холодильной

установки.

Известно, что для повышения эффективности работы холодильной машины необходимо ее цикл максимально приблизить к циклу Карно. Для этого требуется, чтобы процессы подвода тепловой энергии Q₂ в холодильной камеры (низкотемпературного источника) и отвода тепловой энергии Q₁ о рабочего тела в окружающую среду (высокотемпературный источник происходили изотермически. Это можно реализовать, если рабочее тело (хладагент) будет при температурах окружающей среды существовать в двух фазах (жидкость-пар).

Некоторые вещества (аммиак. Фреон, сернистый ангидрид и др.) при давлениях, близких к атмосферному давлению, легко кипят. При кипении жидкости образуется влажный пар. Процесс парообразования является одновременно и изотермическим и изобарическим, когда подводимая энергия расходуется на теплоту фазового перехода без изменения температуры.

В качестве рабочего тела (хладагента) в бытовых холодильниках применяют легкоиспяряемые жидкости фреон-12 (соединение фтора, хлора и углерода), кипящий при температуре – 30^оС; аммиак кипит при температуре – 35^оС,а хлористый метил при -23^оС. Эти характеристики хладагентов позволяют обеспечивать требуемые температуры в холодильных камерах и возможность ожижения их при комнатных температурах. Схема паровой холодильной установки приведена на рис.6.2.

Основныи характеристиками холодильной установки являются:

1. Холодопроизводительность, кДж/с,представляющая количество теплоты, отводимое в единицу времени от тела с низкой температурой,

,

где М_s – секундный расход рабочего тела, кг/с; q₁ – удельное количество отводимой теплоты (удельная холодопроизводительность), кДж/кг.

2. Холодильный коэффициент ε = q₁/ |ℓ_ц |.

Практически осуществить обратный цикл Карно в холодильном цикле очень сложно.

Реализация изотермических процессов обмена теплотой возможна только при конденсации и испарении хладоагента.

Реальные холодильные установки подразделяются на два типа: компрессорные и абсорбционные. В свою очередь, компрессорные холодильные установки установки подразделяют на газовые (воздушные) и паровые. Воздушные холодильные установки используют тепловой эффект Ранка, заключающийся в разделении струи завихренного потока газа на горячий (внешний) и охлажденный (внутренний) потоки. Чем выше степень сжатия воздуха, тем до больших значений разности температур можно довести потоки воздуха.

Рис. 6.3 Принципиальная схема парокомпрессорной холодильной установки и

ее цикл работы в координатах Τ-s и lnp-i.

Компрессор 4 засасывает из испарителя 1 сухой насыщенный или слегка перегретый пар хладагента, адиабатно сжимает его до давления р₂ (процесс 1-2). Из компрессора перегретый пар поступает в конденсатор 3, где охлаждается до температуры конденсации t_к (процесс 2-3), а затем конденсируется (процесс 3-4^/-4), отдавая в окружающую среду теплоту q₂. После конденсации жидкий хладагент подвергается дросселированию в специальном клапане 2 (процесс 4-5). Полученный влажный пар при давлении р_исп поступает в испаритель, где и испаряется при температуре t_исп, отбирая теплоту q₁ от охлаждаемой среды (процесс 5-1).

Удельная холодопроизводительость 1 кг рабочего тела в установке

(6.1)

теплота, отводимая в конденсаторе,

(6.2)

Работа, затрачиваемая на адиабатное сжатие хладагента в компрессоре,

(6.3)

Поскольку в процессе дросселирования энтальпия не изменяется, то .

Холодильный коэффициент рассмотренного теоретического цикла парокомпрессорной холодильной машины

(6.4)

Так как Т₂< Т₁, то отношение Т₂/(Т₂-Т₁)<0 и поэтому холодильный коэффициент тепловой машины определяют по модулю.

В общем случае меть место следующие сочетания комбинаций температур низкотемпературного и высокотемпературного источников тепловой энергии:

Т₂> Т₂ – Т₁

Т₂= Т₂ – Т₁

Т₂< Т₂ – Т₁

Поэтому, на основании выражения (6.4) можно отметить, что холодильный коэффициент тепловой машины с обратным циклом может быть больше 1, равным 1и меньше 1. Все это справедливо только для холодильного цикла. Из сказанного вытекают следующие соображения:

- холодильный коэффициент цикла зависит от температур горячего и холодного источников и не зависят от природы рабочего тела;

- значения холодильного коэффициента цикла тем больше, чем ближе температуры горячего и холодного источников;

- значение холодильного коэффициента может изменяться от 0 до бесконечности;

- холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет максимальное значение по сравнению с другими циклами.

Можно сделать некоторые выводы от работы холодильника в нащей кухне.

Если бы кухя была полностью теплоизолирована от окружающей среды, то температура в кухне постепенно росла. Наличие вентиляции кухни не позволяет наблюдать такой картины.

Если мы сделаем так, чтобы воздух в наш холодильник засасывался с улицы, то мы со временем имели бы подогрев кухни по сравнению с окружающей средой. В этом есть смысл теплового насоса.

Если известны полная Q₁ и удельная q₁ холодопроизводительности, можно вычислить количество хладагента, кг/с, циркулирующего в машине,

(6-5)

Мощность, кВт, потребляемая компрессором в теоретическом цикле,

(6-6)

Увеличение хладопроизводительности возможно при дополнительном переохлаждении жидкости в конденсаторе (процесс 4^/ - 4 на рис. 6-2).

Невыгодность дросселировния, сопровождающегося диссипацией энергии, по сравнению с адиабатным расширением от р_к до р_исп с производством работы в расширительном цилиндре компенсируется существенным упрощением конструкции и удобством регулирования холодильной установки.

Эффект энергетического разделения в потоке вязкого сжимаеого газа (эффект Ранка).

В КуАИ-СГАУ проведены исследования и разработано большое количество устройств , использующих эффект Ранка для различных целей.

Вихревой эффект энергетического разделения реализуется в любом потоке вязкого сжимаемого газа при наличии в нем турбулентной составляющей скорости и градиента статического давления, направленных по нормали к скорости основного движения. Это явление вызывает перераспределение статической температурыпо сечению по условию адиабаты: в области повышенного статического давлениястатическая температура выше, и наоборот. Чем выше градиенты статического давления, тем выше и разность температур в потоке. Эту разность статических давлений создают за счет закручивания потока в трубе.

Рис. 6.4. Лабораторная модель вихревой трубки.

Вихревой эффект можно создать, если в гладкую цилиндрическую трубу 5,6 (рис.6.4) через тангенциальное сопло 11 вводить сжатый воздух, который образует интенсивный круговой поток. Если примыкающий к сопловому входу конец трубы закрыть диафрагмой 7 с осевым отверстием, то круговой поток будет смещаться в сторону открытого конца трубы и вытекать через него в атмосферу, а в приосевой зоне трубы создается разрежение, и внутрь трубы через отверстие диафрагмы будет подсасываться воздух из атмосферы.

Установив на открытом конце трубы дроссель 4 и прикрывая его, можно повысить давление внутри трубы так, что через отверстие диафрагмы в атмосферу начнет вытекать часть кругового потока вещества. Часть потока, вытекающая через приосевую диафрагму 7, оказывается заметно охлажденной, а вещество, вытекающее через дроссель – подогретым.

Эффект энергетического разделения потока определяется несколькими факторами: отношением массового расхода холодного потока к общему расходу m₁ через вихревую трубу, перепадами давлений на входе р₁ и например до р_х , а также от геометрических соотношений элементов в вихревой трубе.

Массовую долю холодного воздуха обозначают через μ: .

Эффект охлаждения холодного потока: ΔТ_х = Т₁ – Т_х возрастает с ростом р₁, Т₁, L, D и снижается с увеличением р_х , d₀. При прикрытии дросселя 4 возрастает доля холодного воздуха μ_х , а эффект снижения температуры вначале возрастает, достигая максимума при μ_х=0,2...0,3, а затем снижается. Одновременно меняется и подогрев горячего воздуха:

ΔТ_г=Т_г-Т₁

Действительно, если вихревая труба теплоизолирована от окружающей среды, а газовый поток не совершает работы, то весь процес является изоэнтальпным,что позволяет для 1 кг вещества записать равенство: i₁ = μi_x + (1-μ) i_г

Если принять, что с_р= const и заменяя i= c_pT,получим: μΔТ_х = (1-μ )ΔТ_г, что определяет взаимную связь эффектов охлаждения и подогрева вещества потока.

Для оценки эффективности вихревой трубы удобно пользоваться безразмерными термодинамическими величинами:

степень расширения газа в вихревой трубе

относительная температура холодного воздуха

температурная эффективность вихревой трубы здесь

- охлаждение воздуха при адиабатном расширении вещества потока. - показатель адиабаты.

Обобщенный вид характеристик вихревой трубы на рис.6.5

Рис. 6.5. Характеристики вихревой трубы.

Тепловой насос. Целевое предназначение холодильной машины состоит в понижении температуры некоторого тела (пространства). Для понижения температуры тела необходимо устройство, способное отбирать у него внутреннюю энергию. Именно таким устройством является тепловая машина, работающая по обратному циклу. Более того, оказалось, что машина, работающая по обратному циклу, может выполнять и другую функцию, если ее использовать по иному назначению. Тепловая машина, работающая по обратному циклу, отбирает тепловую энергию у низкотемпературного источника (холодильника) и отдает ее высокотемпературному источнику (нагревателю). Высокотемпературный источник тепловой энергии в данном случае является ее приемником, поэтому такую тепловую машину можно использовать не для охлаждения, а для нагревания некоторого тела. В этом случае машина будет выполнять некую функцию «теплового насоса», перекачивающего тепловую энергию с низкого уровня на более высокий.

Еще английский физик Томсон отмечал, что вполне возможно использовать для отопления помещений (жилищ или производственных) внутреннюю энергию окружающего пространства. Тепловой насос по этой идее должен отбирать энергию Q₂ = Q_о.с в тепловой фоме у окружающей среды (низкотемпературного источника) при температуре T₂ = T_о.с и отдает ее в отапливаемое помещение при температуре Т₁ (Т₁>Т₂). При этом в отапливаемое помещение передается больше тепловой энергии Q₁, чем отбирается от окружающей среды Q₂ ( Q₁>Q₂).Смопроизвольный переход энергии в тепловой форме от низкотемпературного источника к высокотемпературному источнику запрещен законами термодинамики. Несамопроизвольный (вынужденный) переход тепловой энергии в таком направлении возможен. Для осуществления такого перехода требуется затрата энергии W_рез в механической форме.

Принципиальная схема наиболее простого (парокомпрессорного) теплового насоса показана на рис. 6.4.

Рабочее тело в парообразном состоянии сжимается компрессором (поэтому и название – парокомпрессорный тепловой насос). При сжатии пара в компрессоре к нему подводится энергия в механической форме W_рез из окружающей среды (например, от электродвигателя). Эта энергия преобразуется из механической в тепловую форму. Пар нагревается, т.е. его температура повышается до Т₁. После компрессора пар поступает в теплообменник №2, где отдает часть своей внутренней энергии в форме теплоты Q₁ (в данном случае промежуточному теплоносителю системы отопления помещения). Этотпроисходит потому, что температура Т₁ горячего ара выше температуру промежуточного теплоносителя. При отдаче энергии Q₁ в тепловой форме промежуточному теплоносителю в теплообменнике №2 температура пара уменьшается, и он конденсируется.

Рис. 6.4. Схема работы теплового насоса.

Горячий пар становится горячей жидкостью. Эта жидкость направляется к дросселю, где происходит понижение температуры за счет дросселирования. Чем ниже давление жидкости, тем легче она испаряется, и температура пара снижается до Т₂ =Т_о.с в теплообменнике №1. В процессе испарения в теплообменнике №1 рабочему телу сообщается теплота в количестве Q₂. Холодная жидкость превращается в холодный пар, который засасывается поршнем в компрессор. Цикл повторяется.

Для рассматриваемого цикла уравнение первого закона термодинамики будет иметь вид: ∆U = Q_рез – W_рез , где (6.7)

∆U –изменение внутренней энергии рабочего тела за цикл;

Q_рез - результирующее тепловое взаимодействие рабочего тела с окружающей средой;

W_рез – результирующее механическое взаимодействие термодинамической системы (рабочего тела) с окружающей средой.

С учетом правила знаков уравнение (6.7) запишется:

∆U = Q₂ –Q₁ – (-W_рез).

Изменение внутренней энергии за цикл ∆U= 0, поэтому

Q₂ – Q₁ = - W_рез (6.8)

или

Q₁ = Q₂ + W_рез (6.9)

Коэффициент полезного действия насоса:

(6.10)

Из выражения (6.10) следует, что при η_хол = 3...4 потребитель получит в три – четыре раза больше тепловой энергии, заимствованной из окружающей среды, чем при обычном электрообогреве с теми же затратами электроэнергии W_рез.