Вторичные источники энергии

11 Вторичные источники энергии

11.1 Принцип получения искусственного холода

Охлаждение в кондиционерах и холодильных машинах производится за счет поглощения тепла при кипении жидкости. Температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура кипения и, наоборот, чем ниже давление, тем ниже температура кипения. При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст. (1 атм) вода кипит при 100⁰С, но если давление пониженное, как, например, в горах на высоте 7000-8000 м, вода начнет кипеть уже при температуре 40-60⁰С. Во-вторых, при одинаковых условиях разные жидкости имеют различные температуры кипения. Например, фреон К-22, широко используемый в холодильной технике, при нормальном атмосферном давлении имеет температуру кипения минус 40,8⁰С.

Если жидкий фреон находится в открытом сосуде, т.е. при атмосферном давлении и температуре окружающей среды, то он немедленно вскипает, поглощая при этом большое количество тепла из окружающей среды или любого материала, с которым находится в контакте. В холодильной машине фреон кипит не в открытом сосуде, а в специальном теплообменнике, называемом испарителем. При этом кипящий в трубках испарителя фреон активно поглощает тепло от воздушного потока, омывающего наружную, как правило, оребренную поверхность трубок.

Температура конденсации паров фреона, так же, как и температура кипения, зависит от давления окружающей среды. Чем выше давление, тем выше температура конденсации. Так, например, конденсация паров фреона К-22 при давлении 23 атм начинается уже при температуре 55°С. Процесс конденсации фреоновых паров, как и любой другой жидкости, сопровождается выделением большого количества тепла в окружающую среду или применительно к холодильной машине передачей этого тепла потоку воздуха или жидкости в специальном теплообменнике, называемом конденсатором.

Чтобы процесс кипения фреона в испарителе и соответствующего охлаждения воздуха, а также процесс конденсации и соответствующий отвод тепла в конденсаторе были непрерывными, необходимо постоянно «подливать» в испаритель жидкий фреон, а в конденсатор постоянно подавать пары фреона. Такой непрерывный процесс (цикл) осуществляется в холодильной машине. Наиболее обширный класс холодильных машин базируется на компрессионном цикле охлаждения, основными конструктивными элементами которого являются компрессор, испаритель, конденсатор и регулятор потока (капиллярная трубка), соединенные трубопроводами и представляющие собой замкнутую систему, в которой циркуляцию хладагента (фреона) осуществляет компрессор. Кроме обеспечения циркуляции, компрессор поддерживает в конденсаторе (на линии нагнетания) и высокое давление порядка 20-23 атм.

Принципиальная схема компрессионного цикла охлаждения показана на рис.11.1.

Рекомендуемые материалы

Рисунок 11.1 - Схема компрессорного цикла охлаждения

Выход испарителя (участок 1-1). Здесь хладагент находится в парообразном состоянии с низкими давлением и температурой. Парообразный хладагент всасывается компрессором, который повышает его давление до 15-25атм и температуру до 70-90⁰С (участок 2-2).

Далее в конденсаторе горячий парообразный хладагент охлаждается и конденсируется, т.е. переходит в жидкую фазу.

На выходе из конденсатора (точка 3) хладагент находится в жидком состоянии при высоком давлении. Размеры конденсатора выбираются таким образом, чтобы газ полностью сконденсировался внутри конденсатора. Поэтому температура жидкости на выходе из конденсатора оказывается несколько ниже температуры конденсации.

При этом температура конденсации примерно на 10-20⁰С выше температуры атмосферного воздуха. Затем хладагент в жидкой фазе при высоких температуре и давлении поступает в регулятор потока, где давление смеси резко уменьшается, часть жидкости при этом может испариться, переходя в парообразную фазу. Таким образом, в испаритель попадает смесь пара и жидкости (точка 4). Жидкость кипит в испарителе, отбирая тепло от окружающего воздуха, и вновь переходит в парообразное состояние. Размеры испарителя выбираются таким образом, чтобы жидкость полностью испарилась внутри испарителя. Поэтому температура пара на выходе из испарителя оказывается выше температуры кипения, происходит так называемый перегрев хладагента в испарителе. В этом случае даже самые маленькие капельки хладагента испаряются и в компрессор не попадает жидкость. Перегретый пар выходит из испарителя (точка 1), и цикл возобновляется.

Таким образом, хладагент постоянно циркулирует по замкнутому контуру, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на парообразное и наоборот. Все компрессионные циклы холодильных машин включают два определенных уровня давления. Граница между ними проходит через нагнетательный клапан на выходе компрессора с одной стороны и выход из регулятора потока (из капиллярной трубки) с другой стороны.

Холодильные машины и основанные на их принципе действия кондиционеры получили широкое распространение в промышленности, на производстве, в быту.

11.2 Характеристика оборудования получения гидравлической энергии и энергии сжатого газа

Насосы относят к группе энергетических машин, они служат для преобразования механической энергии, получаемой от двигателя, в механическую энергию потока жидкости.

Работа насоса характеризуется тремя параметрами: подачей, напором и мощностью.

Подача насоса представляет собой количество жидкости, подаваемой в единицу времени. В зависимости от назначения и характера насосной установки количество подаваемой жидкости измеряется объемом или весом.

Размерность для объемной подачи

Напором насоса (Н) называют приращение механической энергии, получаемой массой жидкости, протекающей через насос, т.е. напор насоса - разность удельных энергий потока жидкости при выходе из насоса и при входе.

Полную удельную энергию потока жидкости при выходе из насоса определяют по формуле

а полная удельная энергия при входе жидкости в насос

где z_вых, Р_вых, _вых - соответственно отметка расположения выходного патрубка насоса, давление и скорость при выходе жидкости из насоса; z_вх, Р_вх, υ_вх - соответственно отметка расположения входного патрубка насоса, давление и скорость при входе жидкости в насос; γ - удельный вес; g - ускорение силы тяжести.

.

Энергетическая величина напора, отнесенная к единице веса, имеет линейную размерность кГ·м/кГ=м, т.е. напор выражают в метрах столба перекачиваемой жидкости или Н/м².

Требуемый напор насоса, кН/м², определяют по формуле

Н=9,8(Н_г.в+h_п.в+h_п.н),

где Н_г.в - геометрическая высота подъема воды (разность геодезических отметок уровней воды в источнике и у потребителя, м; h_п.н - потери напора в напорном трубопроводе, м; h_п._в - потери напора во всасывающем трубопроводе, м.

Полный напор, кН/м², развиваемый насосом, определяют так:

,

где Н_υ - показания вакуумметра, метр вод.ст., равное 10Р_υ (Р_υ - показание вакуумметра, кг/см²); Н_м - показание манометра, метр вод.ст., равное 10Р_м (Р_м - показание манометра, кг/см²); - скоростной напор, м; z - расстояние по вертикали между местом присоединения манометра и точкой присоединения импульсной трубки вакуумметра к всасывающему трубопроводу, м.

Полезная мощность N_п определяется напором и подачей насоса. Из определения напора следует, что приращение энергии каждого килограмма жидкости, перекачиваемой насосом, равно напору H; количество жидкости, подаваемой насосом в единицу времени, равно весовой подаче G; тогда полное приращение энергии, получаемое всем потоком жидкости в насосе в единицу времени, т.е. полезная мощность насоса (Вт), будет равна

N_П = 9,8rQH,

где r - плотность, кг/м³; Q - расход, м³/с; Н - напор, м.

Мощность на валу насоса определяют по формуле

N_н=N_п/h_н.

Коэффициент полезного действия насоса выражает степень совершенства конструкции насоса в механическом, гидравлическом и объемном отношении

h_н=h_мh_гh₀ .

Современные конструкции насосов имеют коэффициент полезного действия: малые насосы 60-75%, крупные 80-92%.

Коэффициент полезного действия насосной установки (агрегата) равен

h_н.у=h_нh_двh_пр,

где h_дв - коэффициент полезного действия двигателя; h_пр - коэффициент полезного действия привода, h_пр принимают равным единице.

Разнообразие применений насосов значительно выше, чем вентиляторов. Гидравлическая энергия жидкости, создаваемая насосами, применяется практически во всех областях деятельности человека.

Насосы разделяются на лопастные (например, центробежные и осевые), и объемные (например, поршневые). Однако более распространены центробежные насосы.

Основным рабочим элементом центробежного насоса (рис.11.2) является лопастное колесо 1, которое свободно вращается в корпусе 2. При вращении колеса в потоке жидкости возникает разность давлений по обе стороны лопасти. Силы давления лопастей на поток создают вращательное движение жидкости, а под действием центробежных сил создается поступательное движение жидкости и увеличиваются ее давление и скорость. Лопастное колесо закреплено на валу 3, который служит проводником механической энергии двигателя. В месте прохода вала через отверстие в корпусе насоса устраивают сальниковое уплотнение 4, предупреждающее вытекание жидкости из корпуса.

Корпус 2 служит для конструктивного объединения всех элементов в насосе, подвода потока жидкости к рабочему колесу по всасывающему патрубку 6, отвода воды по напорному патрубку 5 и для преобразования динамического (скоростного) напора потока, выходящего из колеса, в статический напор (давление).

Рисунок 11.2 – Консольный центробежный насос: 1 – лопастное колесо; 2- корпус; 3- вал; 4 – сальниковое уплотнение; 5 – напорный патрубок; 6 – всасывающий патрубок

Компрессоры подобно насосам и вентиляторам выполняют широкий набор функций во многих отраслях промышленности, а также в зданиях. Задача компрессоров состоит в повышении давления газов, чаще всего воздуха и хладагентов. Статистика режимов потребления энергии свидетельствует о больших возможностях для существенной экономии расходов в этой области. По имеющимся оценкам, примерно 10% всей энергии, потребляемой в промышленности, связано с использованием компрессоров.

Вам также может быть полезна лекция "100 Заявление ходатайств".

Вентилятор - устройство, предназначенное для создания высокоскоростного воздушного потока. Энергия такого потока применяется в многочисленных производственных и коммунальных процессах. Примеры вентиляторов, которые работают в течение продолжительных периодов времени при условиях, отличных от номинальных, весьма разнообразны. Вентилятор тягодутьевого устройства котлоагрегата должен справляться с потоками газов, которые изменяются в функции нагрузки котла и, следовательно, скорости сжигания топлива. Другие примеры включают вентиляторы сушильных шкафов, вентиляционные установки в зданиях, включая системы регулирования объема воздуха и градирни, где температура и влажность окружающей среды могут влиять на нагрузку.

Необходимость регулирования расхода возникает часто, и выбранный метод регулирования может оказывать существенное влияние на эксплуатационные расходы вентилятора.

Работа любого типа насоса, компрессора и вентилятора определяется набором правил, которые известны под названием "законы подобия". Эти законы содержат следующие положения:

- подача пропорциональна частоте вращения: ;

- давление или напор изменяется пропорционально квадрату частоты вращения: ;

- мощность изменяется пропорционально кубу частоты вращения: .