Циклы и схемы газовых хм

Лекция 12.

Циклы и схемы газовых хм.

   Рабочее вещество в газовых ХМ (ГХМ) во всех частях схемы находится в газообразном состоянии. Процессы проходят, как правило, в надкритической области по давлениям и температурам. На рис. стр. ?????? это 8-10.

    Наибольший интерес представляет ГХМ, которая работает на воздухе в качестве рабочего вещества. Их обозначают как ВХМ. Критическая температура воздуха          -140^оС. Критическое давление 3,76 МПа.

К ГХМ относятся: системы с использованием вихревой трубы (эффект Ранка), пульсационные системы охлаждения (см. раздел физические основы ТНТ). Эти системы в данном разделе не рассматриваются. Рассматриваются циклы с расширением газа в детандерах с отдачей внешней работы.

    Классификацию ГХМ проводят по двум признакам: 1) замкнутым циклом и разомкнутым циклом; 2) нерегенеративные и регенеративные циклы.

Основные особенности газовых циклов.

    Холодопроизводительность ГХМ зависит от разности температур, на которую нагревается охлажденный газ в процессе охлаждения объекта.

Рекомендуемые материалы

    Для воздуха: .

    Если принять, что газ при охлаждении объекта нагревается на , то

    Удельная объемная холодопроизводительность циклов парокомпрессионных ХМ находится в пределах , отсюда следует, что для равной холодопроизводительности с парокомпрессионной ХМ в ГХМ должен циркулировать объем рабочего вещества на два порядка больше, чем в парокомпрессионной ХМ. В связи с этим для сжатия рабочего вещества используется турбокомпрессоры, которые при приемлимых размерах имеют столь высокую объемную производительность в .

    Допустим, что

 тогда для ПХМ  а для ГХМ .

    Вторая особенность ГХМ заключается в том, что доля работы детандера, возвращаемая в систему ГХМ, велика в общей работе термодинамического цикла ГХМ, Она намного выше доли работы, теряемой в дросселе парокомпрессионной ХМ (см. раздел термодинамические основы).

    В связи с этим энергетическая эффективность ГХМ при одинаковых температурах источников: Т_инт, Т_ивт, Т_ос – значительно ниже, чем у парокомпрессионных ХМ. В связи с этим ГХМ могут конкурировать с ПХМ лишь при весьма низких температурах: Т_инт<-80^оС.

    Однако, во многих случаях, когда требуется простота устройства ХМ, ГХМ находит применение и при более высоких температурах ИНТ, например в самолетных кондиционерах. В последнее время, в условиях необходимости отказа от экологически небезопасных фреонов большое внимание уделяется совершенствованию и расширению области применения ГХМ, работающих на воздухе, т.е. ВХМ. Как правило в схеме ГХМ присутствуют следующие основные элементы:

    1. Компрессор, сжимающий газ до необходимого давления.

    2. Теплообменнтк, охлаждающий газ (как правило тепло отводится в ОС).

    3. Детандер, в котором газ расширяется до заданного низкого давления.

    4. Теплообменник, в котором охлажденный газ, нагреваясь охлаждает объект (ИНТ).

    Работа детандера отдается на вал машины и подведенная энергия извне, например от электродвигателя, равна разности работ компрессора и детандера.

Теоретический цикл нерегенеративной ГХМ.

    Процессы:

1-2 – сжатие газа в компрессоре по изоэнтропе;

2-3 – охлажение газа в ПХ в пределе до Т_ос.

3-4 – расширение газа в детандере по изоэнтропе с отдачей работы на вал машины.

4-1 – нагрев холодного газа в процессе охлаждения в ОБ объекта в пределе до Т_инт.

    Работа цикла равна разности работ сжатия  и расширения :  .

    Расчет параметров:

    В той области диаграммы состояния, в которой происходят процессы ГХМ, свойства газа приближаются к свойствам идеального газа, что позволяет представлять разность энтальпий как произведение постоянной величины теплоемкости газа Cp на разность температур в соответствующем процессе.

    Для изоэнтропного процесса справедливо следующее:

    В данном теоретическом цикле процессы сжатия и расширения обратимы, т.к. проходят по S=const. Степень обратимости цикла, в целом, зависит от изменения температуры источников Т_инт и Т_ос.

    Оценим обратимость теоретического цикла ГХМ в двух вариантах.

    1-й вариант:

    Т_ос=const; Т_инт= const, тогда эквивалентный обратимый цикл – это цикл 1-2’-3-4’.

    Поскольку Т₂>Т_ос, то .

    2-й вариант:

    В этом случае эквивалентный обратимый цикл – это цикл Лоренца.

    Здесь теоретически возможен вариант, что этот теоретический цикл обратим, в случае если теплоемкости источников (ИНТ, ОС) и теплоемкость рабочего вещества одинаковы, т.е. равны между собой. Например, если и рабочее вещество и ОС и ИНТ – это воздух.

Изменение параметров цикла при действительных процессах сжатия и расширения.

    В действительном цикле ГХМ процессы сжатия и расширения происходят с необратимыми потерями, они отклоняются от изоэнтропы, в результате работа сжатия увеличивается, работа детандера, отдаваемая на вал машины, уменьшается, работа цикла увеличивается, холодильный коэффициент уменьшается.

1-2’ – действительный процесс сжатия;

3-4’ – действительный процесс расширения в ДТ;

1-2’-3-4’ – в целом рассматриваемый цикл;

1-2-3-4 – цикл с теоретическими процессами сжатия и расширения.

    Преобразуем выражение для действительной холодопроизводительности.

    Потери в детандере и КПД процесса расширения  не только увеличивает работу цикла (знаменатель), но и уменьшает холодопроизводительность (числитель). Это является причиной относительно низкого холодильного коэффициента ГХМ (ВХМ) по сравнению с циклом парокомпрессионных ХМ. При этом теоретический цикл ГХМ по холодильному коэффициенту может быть вполне конкурентноспособен.

Теоретический цикл регенеративной ВХМ.

    Холодопроизводительность регенеративного и нерегенеративного цикла одинакова.

1-2-3-4 – регенеративный цикл;

1’-2’-3’’-4 – нерегенеративный цикл;

    На участвке 2-3-4 – прямой поток газа, 4-1-2 – обратный поток газа.

    Процессы:

1-2 – сжатие в КМ по S=const;

2-3’ – охлаждение сжатого газа в ПХ, в пределе до Т_ос;

3’-3 – охлаждение прямого потока газа в РТ обратным холодным газом, в пределе до Т_инт;

3-4 – расширение газа в детандере по S=const;

4-1’ – нагрев холодного воздуха в процессе охлаждения объекта, в пределе до Т_инт;

1’-1 – нагрев обратного потока газа в РТ, в пределе до Т_ос.

    Расчет параметров.

    Сопоставим холодильные коэффициенты регенеративного и нерегенеративного циклов. По постановке задачи холодопроизводительность обоих циклов

    Поэтому сравнение холодильного коэффициента можно выполнить сравнивая работу цикла, которая в знаменателе. В обоих циклах, при условии, что изобары эквидистантны (параллельны), то температура Т₂=Т₂’.

    Пользуясь , заполним    

    У обоих циклов

    Анализируем соотногение

Вывод:

    Преимущества регенеративного цикла:

    1. Давление p₂<<p₂’;

    2. Отношение давлений ;

    3. Влияние потерь в процессе сжатия и расширения в действительном регенеративном цикле значительно меньше, чем в нерегенеративном, поэтому

    В связи с этим во всех случаях, когда это по условиям использования ГХМ возможна реализация регенеративного цикла, его применение целесообразно, т.к. достигается более высокая энергетическая эффективность (холодильный коэффициент) и требуемое давление газа (воздуха) для достижения заданной температуры t₄ обеспечивается при более низком давлении.

   Возможность реализации регенеративного цикла связана с двумя факторами:

    1. Это замкнутый цикл, когда одно и тоже количество воздуха циркулирует в системе.

    2. Холодный воздух после охлаждения объекта может быть направлен в регенеративный теплообменник. В разомкнутых циклах, как правило, регенеративный цикл осуществлен быть не может, и применяется нерегенеративный цикл.

    Регенеративный цикл легко реализуется, если холодный воздух охлаждает в, теплообменнике, какой-то теплоноситель ИНТ (жидкость, воздух).

    Наиболее целесообразно охлажденный воздух после детандера использовать непосредственно для охлаждения каких-то тел, т.е. хладагент и теплоноситель объединяются между собой.

    Почему это привлекательно?

    Потому, что: 1) нет потерь от передачи тепла от ХА к какому-то теплоносителю; 2) воздух – экологически чистое вещество, которое в процессе охлаждения объекта может непосредственно контактировать с ним. В этом случае охлаждаемые тела размещаются в некой изолированной камере, в эту камеру подается холодный воздух после детандера, воздух, в контакте с охлаждаемыми телами, подогревается, затем надо суметь его вывести из камеры и направить в регенеративный теплообменник. Сама камера должна быть герметичной, чтобы холодный воздух из нее не вытекал и теплый воздух (снаружи) в нее не поступал.

Использование нерегенеративной ВХМ с разомкнутым циклом.

    Для энергетической эффективности ВХМ важно, чтобы разность температур, на которую холодный воздух нагревается в контакте с охлажденным объектом, была как можно больше. Если замораживаемый объект приходит с Т_ос и должен быть заморожен и иметь температуру, в замороженном состоянии, достаточно низкую, например -60^оС, то использование нерегенеративной ВХМ будет иметь наиболее высокую энергетическую эффективность, в сравнении с другими способами замораживания, например, с использованием парокомпрессионной ХМ.

ВХМ с разомкнутым циклом и давлением после детандера ниже атмосферного (русский цикл).

   Процессы:

3 – атмосферный воздух, давление р₂ и температура ОС.

3-4 – охлаждение воздуха в РТ в пределе до температуры Т₆ после детандера.

4-5 – нагрев воздуха в камере, в контакте с охлаждаемыми объектами.

5-6 – расширение воздуха в детандере до давления ниже атмосферного.

6-1 – нагрев обратного потока воздуха в пределе до Т_ос в РТ за счет охлаждения прямого потока воздуха в процессе 3-4.

1-2 – сжатие воздуха до атмосферного давления и выброс в атмосферу (нагретый воздух может быть использован для практических целей).

    Для работоспособности этой системы, в воторую поступает влажный атмосферный воздух, регенеративный теплообменник выполняется из двух параллельно работающих аппаратов, один из которых захолаживается для охлаждения поступающего воздуха, а второй освобождается от инея. Прямой и обратный потоки периодически переключаются на один и второй аппарат.

Рис. 1.1. Обобщенная схема ХМ (а) и соответствующий термодинамический цикл (б)

Обозначение точек циклов

В общем случае обозначение точек состоит из двух цифр.

Первая цифра означает уровень давления в циклах (начиная
с давления кипения 1-й ступени и заканчивая давлением конденсации), например,

1, 2, 3… (j – 1), j… (n – 1), n,

Где j   ― текущее значение уровня давления;

j –1 ― предыдущее значение (перед текущим) уровня давления;

n                             ― порядковый номер последнего уровня давления;

Вторая цифра обозначает точку по ее физическому смыслу
в диаграмме состояния:

1                 ― начало сжатия для ступени;

2                 ― конец сжатия в ступени;

2x   ― после охлаждения в ПХ;

3                 ― на правой пограничной кривой (сухой насыщенный пар);

4                 ― после дросселирования с более высокого уровня давления;

5                 ― жидкости на выходе из ПО^П (условная промежуточная точка);

6                 ― на левой пограничной кривой (насыщенная жидкость);

7 и 8 ― переохлаждение жидкости на выходе из K, ПО^П, ПВ

Применяемые холодильные агенты.

Важнейшие чистые рабочие вещества, применяемые в холодильной технике.

Таблица Физико-химических свойствв масел