Lektsii_Lavrova_NOK (1) (Все лекции ), страница 4

С течением времени насадка регенератора начинаетнагреваться, в результате чего прямой поток охлаждается слабее, т.е.температура прямого потока на выходе из регенератора будетповышаться.Рисунок 9. Течение прямого потока через регенератор.При достижении максимально допустимо величины температурыпроисходит переключение режима работы регенератора, и насадканачинает охлаждаться при обратном дутье.Охлаждение насадки регенератора характеризуется температуройобратного потока на выходе из него. По мере охлаждения насадкитемпература обратного потока на выходе уменьшается и по мередостижения минимального значения наступает переключение в режимпрямого дутья или резерва.Рисунок 10.

Течение обратного потока в регенераторе.Регенераторы используются в газовых холодильных машинах,работающих на циклах Стирлинга, Эриксона и других.Рисунок 11. Схема холодильной машины с регенератором.В холодильной машине на рисунке 11 используется один регенератор,циклически работающий для охлаждения прямого потока и нагреваобратного потока. Условное время переключения (0,1 – 0,01 сек)В криогенных установках (ВРУ или ожижителях) используется неменее двух регенераторов (обычно 3) Один работает в режимепрямого дутья, другой в режиме обратного.Рисунок 12. Схема воздушной ВРУ: а) верхний регенераторохлаждается отбросным азотом (регенерируется) , нижнийрегенератор охлаждает прямой поток; б) верхний регенераторохлаждает прямой поток, нижний регенератор регенерируется.Воздух сжимается в компрессоре, отводится теплота сжатия вконцевом теплообменнике (Qсж) и воздушный поток высокого давленияПроходит через клапанную коробку кл2, охлаждается в нижнемрегенераторе, проходит через клапанную коробку кл4 (рис.

12 а)После регенератора сжатый воздух попадает в ВРУ, где разделяетсяна жидкий кислород и газообразный азот, жидкий кислород уходит кпотребителю, а газообразный азот проходит через клапанные коробкикл3 и кл1 и через верхний регенератор, после чего уходит кпотребителю. После отработки нижнего регенератора, клапанныекоробки переключаются так, что сжатый воздух начинает охлаждатьсяв верхнем регенераторе, а газообразный азот регенерирует нижнийрегенератор (рис.

12 б)Требования к регенератору:1) Большая теплоёмкая масса С [кДжкг]2) Коэффициент теплоотдачи между потоком и насадкой долженбыть большим, либо поверхность теплообмена должна бытьвелика.3) Коэффициент теплопроводности насадки должен быть велик,чтобы интенсивно проводить теплоту между центром иповерхностью, либо толщина насадки должна быть мала.Обычно в качестве насадки используются куски проволоки,металлическая стружка (нерегулярная насадка), либо брикеты изгофрированного алюминия или меди.Первоначально использовались камни (лучше всего базальтовыекамни)Время переключения регенераторов определяется:1) Теплоёмкой массой насадки2) Допустимым температурным диапазоном3) Температура потока на выходе из регенератораЧем больше 1 и 2 тем дольше время переключения.РекуператорыНаиболее часто в технике низких температур встречаютсядвухпоточные теплообменные аппараты типа труба в трубе.Рисунок 13.

Теплообменник труба в трубе.А – прямой поток, Б – обратный поток (может быть и сонаправленА)Рисунок 14. Слева: прямоточный рекуператор, справа:противоточный рекуператор.Основной задачей теплообмена в низкотемпературной техникеявляется охлаждение прямого потока до более низкойтемпературы.Поэтому противоточный теплообмен является более оптимальнымпо сравнению с прямоточным.Прямоточные теплообменные аппараты используются если прямойпоток претерпевает фазовые превращения, например,конденсируется.

Для осуществления этого процесса необходимбольшой перепад температур.Рисунок 15. Q-T диаграмма для прямоточного теплообменногоаппарата, в котором прямой поток претерпевает фазовыйпереход.Лекция 7.Уравнение материального баланса длядвухпоточного противоточного теплообменника.Рисунок 16. Схема противоточного теплообменного аппарата.Система открытая, стационарный режим. Энергетический баланс: + ∙ ℎ1 + ∙ ℎ2 = ∙ ℎ3 + ∙ ℎ4Т.к.

мы рассматриваем низкотемпературный теплообмен, тонеобходимо учитывать теплопритоки из окружающей среды.Скомпануем потоки: + ∙ (ℎ1 − ℎ3 ) = ∙ (ℎ4 − ℎ2 ) ∙ (ℎ1 − ℎ3 ) − теплота, которая отводится от прямого потока ∙ (ℎ4 − ℎ2 ) − теплота подводимая к обратному потоку«Холод» обратного потока затрачивается на охлаждение прямогопотока и компенсацию теплопритока из окружающей среды.Рассмотрим случай, когда оба потока не претерпевают фазовыхпреобразований, т.е. разность энтальпий пропорциональнаразности температур.∆ℎ = 〈 〉 ∙ ∆〈 〉 − усреднённая изобарная теплоёмкость + ∙ 〈 〉 ∙ (1 − 3) = ∙ 〈 〉 ∙ (4 − 2)Водяным эквивалентом (W) называется величина произведениямассового расхода на среднюю изобарную теплоёмкость. + ∙ (1 − 3) = ∙ (4 − 2)При расчёте теплообменных аппаратов при заданных значенияхтеплофизических параметров потоков, массовых расходов итемператур потоков на входе в теплообменник необходимоопределить значение температур потока на выходе изтеплообменника.В технике низких температур основной задачей теплообменаявляется понижение температуры прямого потока, в то время какповышение температуры обратного потока мало интересно.Дано: , 1, 2Найти: 3, 4Решение:В идеальном случае весь «холод» обратного потока затрачиваетсяна охлаждение прямого потока и компенсацию теплопритока изокружающей среды, т.е.

в идеальном случае Т 4=T1.Но в следствие неидеальности теплообмена температура T4<T1 илиT4+ΔT=T1, где величина ΔT называется недорекуперацией(недоиспользование холода обратного потока)Рисунок 17. Иллюстрация недорекуперации на Q-T диаграмме.Величина недорекуперации зависит от типа теплообменника,рабочих веществ потоков, а так же от температурного уровняработы теплообменника.Чем меньше величина недорекуперации, тем более эффективнымсчитается теплообменник.Обычно она составляет не более 20 К, чем ниже температурныйуровень, тем ниже недорекуперация.Зная величину недорекуперации можно решить поставленнуюзадачу. + ∙ (1 − 3) = ∙ (1 − ∆ − 2)3 = 1 + −∙ (1 − ∆ − 2) Задача: определить температуру потока на выходе изтеплообменника.Дано:= 0,1; 0,5; 1; 2; 5;=5К1 = 300 К2 = 200 КΔ = 10 КНайти: 3, 43 = 300 К + 5 К −3, К∙ (300 − 10 − 200)0,10,5125296260215125-145При соотношении водяных эквивалентов до единицы, получаемразумные температуры прямого потока, которые вышетемпературы обратного потока на входе в теплообменник.Рисунок 18.

Иллюстрации задавания недорекуперации на Q-Tдиаграмммах: а) Водяной эквивалент прямого потока больше,чем обратного, недорекуперация задана на теплом конце ТОА;б) Водяной эквивалент обратного потока больше чем прямого,недорекуперация задана на тёплом конце ТОА (неверно); в)Водяной эквивалент обратного потока больше прямого,недорекуперация задана на холодном конце ТОА.Абсурдный результат получается вследствие того, что привеличине водяного эквивалента обратного потока больше чемпрямого, «холода» отданного обратным потоком получаетсяслишком много, чем требуется прямому потоку. Потому заданнаянедорекуперация на теплом конце теплообменника соблюдаться небудет, т.к.

это противоречит второму началу термодинамики.Поэтому недорекуперацию задают конце того потока, чейводяной эквивалент больше.1) > => 4 = 1 − ∆2) < => 2 = 3 + ∆ЗАМЕЧАНИЕ!При определении водяного эквивалента необходимо знатьтеплоёмкость, которая зависит от температуры, поэтомуиспользуется средняя теплоёмкость в диапазоне температурвходящих потоков:〈〉 =ℎ (1) − ℎ (2)1 − 2〈Б 〉 =ℎБ (4 ) − ℎБ (3)4 − 3В подавляющем большинстве низкотемпературных установок водянойэквивалент прямого потока больше, чем обратного, поскольку теплоёмкостьсжатого потока больше, чем расширенного, а также, в ожижительных ивоздухоразделительных криогенных установках массовый расход обратногопотока меньше, чем прямого, т.к. из установки выводится жидкий продукт.Минимальная работа для осуществления низкотемпературныхпроцессов.Криоагент (хладоагент) – рабочее вещество, используемое внизкотемпературной установке.Крионоситель (хладоноситель) – вещество, которое переноситтеплоту от охлаждаемого тела к криоагенту в установке.Криопродукт – вещество, выводимое из криогенной установки вгазообразном, жидком или твёрдом виде.Криоагенты могут быть в газообразном, жидком или твёрдомсостоянии (твердые рабочие тела электрокалорических имагнитокалорических установок)Рассмотрим процесс охлаждения, который сопровождаетсяпереносом теплоты с более высокого на более низкийтемпературный уровень.Рисунок 19.

Схема процесса охлаждения. = + Затрачиваемая в цикле работа может быть разделена на двесостовляющие:1) Минимальная (теоретическая) работа, при которой процессвозможен только теоретически;2) Работа на компенсацию потерь в следствие необратимости; = + потериВ криогенных установках потери ≫ ;В холодильных установках потери соизмеримы минимальнойработе.Минимальная работа при осуществлении процесса теплопереносаявляется максимальным значением полезной работы, котороеможно получить при реализации прямого процесса (тепловогодвигателя)Для определения затрат работы вследствие неравновесностипроцессов используют метод энтропийного анализа, т.к.