Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 71

ЗАДАЧИ И ИХ РЕШЕНИЕ 1. Определить максимальную эффективность солнечной ба- ~ тареи при обратимом протекании рабочих процессов при температуре на ее поверхности То = 300 К, считая, что температура равновесного солнечного излучения равна Т = 6000 К. Р е ш е н и е. Г Максимальная эффективность солнечной батареи 4т о 4 ЗОО ц = 1 — — = 1 — = 1 — 0,063 = 0,937.

ЗТ 3 6000 Ко м ме нтар ий. Это значение несколько меньше КПД, рассчитанного по формуле для цикла Карно, вследствие учета в установке прямого преобразования энергии, а не теплоты. 2. Определить ЭДС кислородно-водородного топливного зле- ~ мента эффективностью 7,2 " , если потребляемая сила тока равна б А, а изменение энтальпии химических реагентов на час работы составило 300 кДж. Решение. Эффективность топливного элемента определяем по формуле = —, гдето =1Ьл,, а 1,= — Л.Н'. и / Следовательно, величину ЛЕ находим из соотношения д,ХХ~ О 072. 300. 10з т1 3600 5 450 Глава 14 Циклы холодильных машин и теплового насоса 14.

1. Классификация холодильных машин Холодильные машины непрерывно или периодически поддерживают температуру рабочего пространства ниже температуры окружающей среды. По виду применяемых ТРТ вЂ” хладагентов холодильные машины делятся на две основные группы: газовые и паровые. В газовых, в частности воздушных, машинах воздух находится в состоянии, далеком от насыщения. Холодильные машины, в качестве ТРТ которых используются пары различных веществ, например аммиака ХНз, диоксида углерода СОг, Фреонов (С)- и У-производных метана СН4, этапа С Н, пропана СзНз), более просты по конструкции, имеют высокие значения холодильных коэффициентов (см.

Формулу 11.7), надежны в работе и поэтому получили весьма широкое распространение. Паровые холодильные машины подразделяются на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбциопные. В парокомпрессионных машинах ТРТ сжимается компрессором, совершающим механическую работу. В пароэжекторных и абсорбционных машинах для получения низких температур затрачивается не механическая работа, а теплота какого-либо ТРТ. Пароэжекторные машины, в частности, нашли широкое применение в космической технике для получения переохлажденного жидкого кислорода. Абсорбционные машины просты, дешевы, надежны и поэтому широко применяются в технике. В отдельную группу выделяются термоэлектри,ческие холодильники, работа которых основана на эффекте Пельтье 451 Глава! 4. Циклы холодильных машин и теплового насоса (см.

равд. 13.3), и вихревые трубы. Эти устройства просты, не имеют движущихся частей, но значения холодильных коэффициентов у них пока еще не очень высоки. 14.2. Цикл воздушной холодильной машины Воздушная холодильная машина — одна из первых примененных на практике. Принципиальная схема такой машины приведена на рис. 14.1. Воздух из змеевика, размещенного в охлаждаемом объеме 1, засасывается компрессором 2 и адиабатно сжимается.

В результате температура и давление воздуха повышаются, он выталкивается в теплообменник 3, где охлаждается водой до температуры окружающей среды. Затем воздух расширяется до первоначального давления в детандере 4 и производит при этом полезную работу.

Температура воздуха после детандера находится в диапазоне от — 60 до — 70 'С. Холодный воздух в теплообменнике 1 отбирает теплоту у охлаждаемых тел, а сам при этом нагревается. Затем цикл повторяется. Цикл холодильной машины для 1 кг рабочего тела в ри- и Тз-координатах отображен на рис. 14.2. Он состоит из следующих процессов: 1 — 2 — сжатия воздуха в компрессоре„2— 3 — отвода теплоты от воздуха в теплообменнике при постоянном давлении; 3 — 4 — расширения воздуха в детандере; 4— 1 — подвода теплоты к воздуху при постоянном давлении в холодильной камере.

Процессы сжатия 1 — 2 и расширения 3 — 4 считаются адиабатными. Таким образом, цикл идеальной холодильной машины состоит из двух изобар (2 — 3 и 4 — 1) и двух адиабат (1 — 2 и 3 — 4). и О а) Рис. 14.2 Рис. 14.1 452 14.2. Цикл воздушной холодильной машины ЭФФективность холодильных машин определяется холодильньиа ноэффициенлзолк1 дз х (К д1 — д2 (14.1) Удельное количество теплоты, отбираемой воздухом от охлаждаемого объекта в изобарном процессе 4 — 11 (14.2) (14,3) Полагая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, переписываем уравнения (14.

2) и (14.3) в виде д,=с,(т,-т4) д, = с (ТЗ вЂ” Тз). Удельная работа, затрачиваемая в цикле: (н = д1 — дз = сл((ТЗ вЂ” ТЗ) — (т1 — Т4)) (14.6) Подставляя (14.4) — (14.6) в выражение (14. 1), находим Т ( ТЗ) (Т1 Т4) (Т2 3) (Т1 4) (14.7) Для адиабатных процессов 1 — 2 и 3 — 4: (14.8) Поскольку рз = рз и р4 = р„то — = — или — =— Т1 Т4 Тз Т4 Отсюда Т Т Т Т4 Т Т и Формула (14.8) примет следующий вид: Т2 Т2 — ТЗ Т Т вЂ” Т 453 и соответствует пл. 41ба4.

Теплота, отдаваемая воздухом в окружающую среду (охлаждающей воде) в изобарном процессе 2 — 3: Глава! 4. Циклы холодильных машин и теплового насоса С учетом последнего выражения можно переписать (14.7) следующим образом: 1 х Т2! Т! — 1 Тх — Т! или (14.9) тр /р ) — 1 Последнее означает, что холодильный коэффициент воздугиного цикла при й = совах зависит только от отношения давлений р (р!. Цикл воздушной холодильной машины при постоянных температурах окружающей среды и холодильной камеры необратим.

Поскольку изобарные процессы 2 — 3 и 4 — 1 протекают при конечной разности температур, теоретический холодильный коаффициент цикла всегда будет меньше холодильного коэффициента обратного цикла Карно, в котором теплоты отбирается больше (рис. 14.3), чем в рассматриваемом цикле воздушной холодильной машины: пл. а61Ьа ) пл.

а41Ьа, а работа, затрачиваемая в этом цикле, больше, чем в обратимом цикле Карно: пл. 1234 ) пл. 1636. Следовательно, и холодильный коэффициент е, воздушной холодильной установки меныпе„чем сх в обратном цикле Карно, хк причем в несколько раз. Например, при Ь! = 20 'С и Ь = — б 'С при начальном давлении в 1 бар е = 2,29, а Т Гх = 10,7.

Это объясняется тем,что подвод 2 и отвод теплоты в воздушной холодильной машине осуществляется не по изотерме„ а по изобаре. Отсюда средняя температура отвода теплоты существенно больше темпе- 4 ратуры окружающей среды Ут, а средняя температура подвода теплоты меньше Т . О а Ь г Этого недостатка лишен цикл парокомпрессионной холодильной установки.

Рис. 14.3 454 14.3. Цикл парококхпрессионной холодильной установки 14.3. Цикл парокомпрессионной холодильной установки В парокомпрессионных холодильных установках в качестве рабочего тела используются низкокипящие жидкости, рабочий цикл которых располагается в двухфазной области состояния ТРТ, где изобарные процессы подвода и отвода теплоты эквивалентны изотермическим, что приводит к уменьшению потерь, связанных с необратимостью процессов. В парокомпрессионных холодильных установках, в отличие от воздушных, вместо детандера применяется дроссельный (редукционный) вентиль, изменением степени открытия которого регулируется температура в охлаждаемом объеме.

Принципиальная схема парокомпрессионной холодильной установки представлена на рис. 14.4, а диаграмма цикла в Тз-координатах — на рис. 14.б. Установка работает следующим образом. В компрессоре 3 происходит адиабатное сжатие пара (процесс 1 — 2). В конденсаторе 2 хладагент вначале охлаждается (процесс 2 — 2') при постоянном давлении, а затем конденсируется (процесс 2' — 3) с отдачей в окружающую среду теплоты д,.

В дроссельном вентиле 1 происходит процесс дросселирования (3 — 4) с превращением жидкости во влажный пар. Конечное давление в процессе дросселирования выбирается таким, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была немного ниже температуры охлаждаемого объема, Процесс дросселирования в вентиле 1 является необратимым, поэтому линия 3 — 4 на Тз-диаграмме изображается условно.

После дрос- Рис. 14.4 Рис. 14.5 455 Глава 14. Циклы холодильных машин и теплового насоса где дз = г11 — 64 — удельное количество теплоты, воспринимае- мое паром в испарителе (удельная холодопроизводительность); (л = а — Л вЂ” удельная работа, затраченная при адиабатном сжатии пара в компрессоре. Следовательно, можно записать йт — Ь Т1(зт — зт) х (т л 5 ь (14.

11) Численные значения удельных энтальпий берутся из таблиц термодинамических сыойеты хладагентоы. Свойства хладагента существенно влияют на эффективность холодильной установки. Из формулы (14.11) видно, что чем больше разность удельных энтропий, т. е. чем выше удельная теплота парообразования г, тем выше холодопроизводительность установки. Таким образом, г является одним из критериев для оценки ТРТ-хладагента. Парокомпрессионные холодильные установки применяются для поддержания в охлаждаемом объеме температур от О до — 120 'С. При этом нижняя температура цикла задается проектным заданием в зависимости от назначения установки, а верхняя определяется температурой охлаждающей воды, поступающей в конденсатор, которая, как правило, лежит в пределах от 0 до 30 'С.

Сопоставление эффективности рассмотренной холодильной установки с эффективностью обратного цикла Карно показы- 456 сельного вентиля влажный пар направляется в испаритель 4, где за счет теплоты, отбираемой от охлаждающих тел, содержащаяся в этом паре жидкость испаряется, увеличивая прн этом степень сухости влажного пара. Изобарно-изотермический процесс подвода теплоты к хладагенту в испарителе изображается линией 4 — 1. Затем цикл повторяется. В зависимости от состояния пара в точке 2 на выходе из компрессора возможны циклы на перегретом паре (см. рис.