Лекци@23-Циклы_холодильных_машин [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF))

Лекции по термодинамикедоцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.Э6нергомашиностроение.Лекция №23Циклы холодильных машин•Циклы холодильных машин. Общие сведения и основные определения.•Типы холодильных машин.•Циклы парокомпрессионных холодильных машин. Общие сведения иосновные определения.•Цикл абсорбционной холодильной машины.•Цикл теплового насоса. Термохимический трансформатор теплоты.•Получение сжиженных газов.Циклы холодильных машин.

Общие сведения и основные определенияОхлаждение тел до температуры ниже температуры окружающей среды и поддержание их вохлажденном состоянии в течение длительного времени составляют основную задачу сравнительномолодой отрасли техники — холодильной. Для многих производств такое охлаждение различныхвеществ, или, как его называют, производство холода, является неотъемлемой частью технологических процессов. В быту и на транспорте производство холода получило широкое распространение прихранении и транспортировании продуктов и для создания «искусственного микроклимата»(кондиционирование воздуха). Для многих научных исследований требуется охлаждать исследуемыеобъекты до очень низких температур.Процессы, связанные с производством холода, осуществляются в комплексе специальныхустройств, куда входят машины, теплообменные аппараты, арматура и т.

п. Такой комплекс, в сущности,представляет собой установку, подобную теплосиловой, но принято называть ее холодильноймашиной.С термодинамической точки зрения производство холода — это процесс передачи теплоты отменее нагретых тел к более нагретым. Как следует из второго закона термодинамики, такой процессне может протекать самопроизвольно. Для его обеспечения необходима затрата некоторого количестваэнергии. Чаще всего энергия затрачивается в форме работы. Поэтому обычно подробномурассмотрению подвергают процессы, протекающие в холодильных установках, потребляющих работуот некоторого внешнего источника. В таких установках в отличие от теплосиловых установок долженосуществляться обратный, или, как его часто называют, холодильный цикл.Искусственное охлаждение - отвод теплоты от тела, имеющего температуру более низкую, чемтемпература самого холодного тела в окружающей среде.2q2 = q1 − lq2= εl(8)(9)ε – холодильный коэффициент цикла.Важной характеристикой холодильноймашины является количество теплоты,отводимой от охлаждаемого тела в единицувремени.

Эту величину называютхолодопроизводителъностъюхолодильной машины.Холодопроизводительность, отнесенная кединице рабочего тела, при помощикоторого осуществляется цикл, т. е. кединице так называемого холодильногоагента, называется удельнойхолодопроизводителъностъю.Обычно пользуются массовойхолодопроизводительностью,т. е. отнесенной к 1 кг холодильного агента.Применяется также понятие объемнойхолодопроизводительности, отнесенной кединице объема рабочего тела (холодильногоагента), взятого при некоторых условновыбранных параметрах.Рис. 1. Изображение обратного циклав координатах sT3q2ε==lпл.a 23b==пл.1234T2 ∆ sT2==(T1 − T2 ) ∆ s T1 − T2ε=1T1−1T2(9)Рис.

2. Обратный (холодильный) цикл Карно4Типы холодильных машин1. Воздушная холодильная машина.l = lk − lд(10)l = (h2 − h1 ) −− (h3 − h4 )(11)q2 = пл.d 41e == h1 − h4(12)Рис. 3. Схема ВХМ: ХК – холодильная камера,К – компрессор, Х – холодильник, Д – детандер5Рис. 4а. Изображение циклавоздушной холодильноймашиныРис. 4б. Изображение циклавоздушной холодильноймашины6l = cp (T2 −T1) − cp (T3 −T4)(13)q2 = cp (T1 −T4)(14)cp (T1 −T4)q2ε= =l cp (T2 −T1) − cp (T3 −T4)T1 −T4ε=(T2 −T1) − (T3 −T4)(15)11=ε=(T2 −T1) − (T3 −T4) (T2 −T3) − (T1 −T4)T1 −T4T1 −T41ε=T2 −T3−1T1 −T4(16)7k −12 kT2p=( ) ;T1p1k −13 kT3p=( )T4p4T3 T2 T2 − T3= =T4 T1 T1 − T4ε=ε=1T2−1T1; ε=1k −12 kp( )p1(21)1T3−1T4; ε=−1(20)(22)1k −13 kp( )p4T1T4ε=; ε=T2 − T1T3 − T4(23)−1Формула холодильногокоэффициента дляидеального цикла ВХМ(24)82.

Паровая компрессорная холодильная машина. В паровой компрессорной холодильной машинев качестве рабочего тела (холодильного агента) применяются легкокипящие жидкости т. е. вещества,имеющие при любой температуре цикла невысокие давления насыщения.3. Абсорбционные холодильные машины. Абсорбцией называется процесс поглощения одноготела другим. На этом принципе работают абсорбционные холодильные машины.4. Пароэжекторные холодильные машины.

Особенностью пароэжекторной установки является то,что в ней вместо компрессора для сжатия холодильного агента применяется паровой эжектор. Принципдействия пароэжектора заключается в следующем.Рабочий пар, имеющий давление выше атмосферного, поступает в сопло, где, расширяясь до оченьнизкого давления, приобретает большую скорость. Вытекающая из сопла струя попадает в камерусмешения, давление в которой, определяемое конечным давлением пара, вытекающего из сопла,будет очень низкое. Вследствие этого в смесительную камеру из системы холодильной установкиподсасывается холодильный агент, который и смешивается с вытекающим из сопла паром.Скорость пара при этом несколько снижается, но остается достаточно высокой. Далее потокпоступает в диффузор, где снижается скорость и повышается давление.5. Газовая (воздушная) холодильная машина.

В теплообменнике (ТО) газ, сжатый в компрессоре,охлаждается проточной водой, температура которой повышается от T’ до T”. К всасывает газ из ХК ипосле адиабатного сжатия подает его в ТО.Разновидность обратных термодинамическихциклов:I – холодильный цикл Карно;II – цикл Карно для отопительного тепловогонасоса;III – цикл теплового насоса для утилизациинизкотемпературной теплоты9Рис. 5. Газовая холодильнаямашина: а – схема, I – холодильнаякамера; II – компрессор;III - теплообменник; IV –пневматический двигатель(детандер); б - циклы в vp- и sT-координатах1εx ==T2 / T1 − 11==T3 / T4 − 11=( k −1) / k−1( p2 / p1 )10Цикл парокомпрессионной холодильной машиныИзображенная холодильная машинаназывается парокомпрессионной,так как сжатие пара осуществляетсяв ней с помощью компрессораХолодильный коэффициентрассматриваемойпарокомпрессионной машиныε x = пл ⋅ 51dc / пл ⋅1234b= (h1 − h ) /(h2 − h1 )Рис.

6. Парокомпрессионная холодильная машинаI - охлаждаемая камера; II - компрессор;III - испаритель; IV - конденсатор;V - регулирующий (дроссельный ) вентильРис. 7. h-lgp - диаграмма: а - схема диаграммы; б - парокомпрессионныйцикл на h-lgp диаграммеС помощью данной диаграммы можно определить холодильный коэффициент безвычисления площадей в виде отношенияε x = а / b = (h1 − h5 ) /(h2 − h1 )12Цикл абсорбционной холодильной машиныАбсорбция - это способность некоторыхтел при определенных условиях поглощатьдругие тела.Коэффициент теплоиспользования –это величина равная отношению теплоты,отнятой в холодильной камере (полезныйкоэффициент) к теплоте, затраченной впарогенераторе.q2ζa =q11 - парогенератор; 2 - конденсатор; 3,8 редукциооный вентиль; 4 - испаритель;5 -холодильная камера; 6 - абсорбер;7 - насос.Рис.

8. Схема простейшей абсорбционнойхолодильной машиныЦикл теплового насосаТермохимический трансформатор теплотыТепловым насосом называют машину, работающую по обратномутермодинамическому циклу и предназначенную для передачи болеенагретому телу теплоты ,отбираемой от менеенагретого (за счет затраты работы цикла)Отопительный коэффициент - этоэффективность обратного отопительногоцикла (отношение теплоты, передаваемойотапливаемому помещению к работе цикла)q1ϕt =lцq1 = q2 + lц > lцϕt > 1Термотрансформаторами называют устройства,предназначенные для переноса теплоты с одногоуровня на другой и сочетающие в себе прямой иобратный термодинамические циклыКоэффициент преобразования теплоты - этоэффективность циклов термотрансформатораψ = Qп /(Qи + Qи 2 )Рис.

9. Схема теплового насоса:1 - компрессор; 2 - конденсатор; 3 - вентиль;4 - испаритель; 5,6 - насос; 7 - потребитель;8 - водоем; 9 - отопительная системаQп – полезный эффект (теплота, полученнаяпотребителем)Qи, Qи2 – затраченный эффект (количества теплоты,подведенные от источников, имеющих температуры14>температуры О.С.)Рис. 10. Расщепительный термохимический трансформатор теплотыа - схема установки; б - процесс в координатах x, T:I - абсорбер; II,VI,VIII - насосы; III - генератор; IV - теплообменник;V - редукционный клапан; VII - испаритель15Получение сжиженных газовДля получения сжиженных газов могут быть использованы дросселирование (эффект ДжоуляТомсона), расширение газа, охлаждение рабочего тела специальными хладоагентами,вакуумирование сжиженного газа, вихревой эффект Ранка, явление Пельтье, адиабатноеразмагничивание.Основным методом сжижения газов считают каскадный метод, представляющий собойсовокупность нескольких парокомпрессионных холодильных циклов; метод Линде, в котором длясжижения газов используется адиабатное дросселирования предварительно охлажденного газа, иметод Клода, в котором помимо адиабатного дросселирования газа используется адиабатноерасширение с отдачейработы в детандере.I - компрессор;II - холодильникIII - теплообменник;IV - дросс.

вентиль;V - сосуд;VI - вентильРис. 11. Холодильная установка с дросселированием16предварительно охлажденного газа: а - схема; б - цикл в (s, T)Холодильный коэффициент теоретическогоцикла с дросселированием предварительногоохлажденного газа можно определить как :εx = q1 / lk = (h1 − h2) /(T1(s1 − s2) − (h1 − h2))По мере повышения давленияхолодопроизводительность цикла возрастаети достигает максимума при p2, равномдавлению инверсии pи. Это объясняется тем,что при p2 = pи изотермы в системе s, h имеютминимум, а минимум энтальпиисоответствует условию(∂h / ∂s )T = T − υ (∂T / ∂υ ) p = 0Принцип Фаулера и Гугенгейма (принципнедостижимости абсолютного нуля).За конечное число процессов, сколь угодноблизких к идеальным, невозможно охладитьтермодинамическую систему до абсолютногонуля.Для получения сверхнизких температуриспользуют термомагнитную систему,рабочим телом которой являются кристаллыпарамагнитной соли, содержащей ионытрехвалентных металлов гадолиния, железа,хрома или цезия.Рис.

12. Процесс изотермного сжатиягаза (в координатах s, h)17Контрольные вопросы••••••Циклы холодильных машин. Общие сведения и основные определенияТипы холодильных машинЦиклы парокомпрессионных холодильных машин. Общие сведения иосновные определенияЦикл абсорбционной холодильной машиныЦикл теплового насоса. Термохимический трансформатор теплотыПолучение сжиженных газов18.