Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Л, Христиановичем. ГЛАВА ХН циклы хОлОдильных мАшин. теплОВОи ИАспс В холодильных установках происходит процесс передачи теплоты от охлаждающего тела к окружающей среде. Этот процесс осуществляется рабочим телом холодильной машины — так называемым холодильным агентом. Эффективность цикла холодильной 178 машины определяется холодильным коэффициентом — е, равным отношению теплоты, отведенной от охлаждаемого тела Ч, и затраченной работе !ч. В обратных циклах затрата внешней работы представляет собой компенсационный процесс (см. 6 1, гл. Ъ',), необходимый для осуществления такого цикла. Холодильный коэффициент для 1 кг холодильного агента, участвующего в цикле, а=в Чг !ч (16.1) Чг т, е (16. 2) г Чг — Чг Тг — Тг Формула (16.2) показывает, что е„зависит от температуры Т, и температуры окружающей среды Т,.
Можно доказать, как и ранее, что холодильный коэффициент цикла Карно не будет зависеть от выбора рабочего тела цикла. Для определения работы и мощности, необходимой для осуществления обратного цикла, надо знать холодопроизводшпельность (т, е. количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени Я кдж/сек) (16.3) )Ч = — ' квт. ~ооо (16.4) $1. Цикл воздушной холодильной машины Основными элементами установки для получения холода (рис. 16.1) являются компрессор ! и детандер 3. Кроме ннх, ичеются два тсплообмениых аппарата, в одном из них — рефрижераторе Ч воздух воспринимает теплоту от охлаждаемой емкости, а во втором— холодильнике 2 отдает теплоту окружающей среде или воде холодильника.
Процессы в холодильнике и рефрижераторе идут при постоянном давлении, если пренебречь гидравлическими сопротивлениями. В компрессоре давление повышается от р, до р„ в детандере падает от р, до р„ причем процессы сжатия и расширения считают адиабатиыми. Таким образом, идеализированный цикл холодильной машины состоит из двух изобар и двух адиабат (рис. !6.2 н рис. 16.3). Зтот цикл называется циклом Лоренца. Если осуществляется обратный цикл Карно в интервале температур Т,— Т„в ходе которого отбирается от холодильного источника теплота дг и передается источнику (окружающей среде) теплота Ч„то на основании (!6.!) и (6.3) имеем Расчет цикла производится следующим образом.
Теплота дм отбираемая воздухом от охлаждаемого объема (холодного источника) в изобарном процессе 2-3, равна д, = (1 — 1,). (16.5) Теплота 7„отдаваемая воздухом в окружающую среду (охлаждающей воде) в изобариом процессе 4-1, равна д, =(Е,— Е,). (!6.6) Считая воздух идеальным газом с постоянной теплоемкостью, найдем =ср(7,— 7,); д,=ар(7,— 7,), (!6.Л Ряс.
16.2 Рис. 16.1 а работа, необходимая для осуществления цикла, равна 1„= ср 1(7, — Т,) — (Т, — Т,)). Подставляя значения д, и 7ч в формулу (16.!), получим Т вЂ” Т, е= (7 4 ТД (Тр Тс) (16.8) (!6.9) или (16.10) Т,— Т, — — 1 Тс — 7'., Для адиабатного процесса 2-4 можно записать н аналогично для адиабатного процесса 7-2 Т, ~ р, ~ — ~ Поскольку для изобарных процессов 4-1 и 2 3 р,=р,ир = рм то из (16.11) н (16.12) имеем Т, Т, (16.11) (16.
12) Т, Т, .! 60 т,— т, т, т,— т, т,' Тогда уравнение (16.10) можно переписать в виде 1 а= т, — — 1 ти (16.! 3) (16.14) 5 Рис. 16.3 Рис. 16.4 а работа, затрачиваемая в цикле воздушной холодильной установки, больше, чем в обратном цикле Карно, пл. )2)4! > пл. (!'Зд'!. В настоящее время воздушные холодильные установки не приме- няют на практике для получения холода при умеренных темпера- турах.
Они уступили здесь ведущую роль парокомпргссорным холодильным машинам. 18! Таким образом холодильный коэффициент цикла зависит только от отношения давлений р,!р,. При постоянных температурах окружающей среды и охлаждаемой емкости рассматриваемый цикл является внешне необратимым. Зто вызвано тем, что изобарные процессы теплообмена протекают при конечной разности температур, поэтому холодильный коэффициент этого цикла по сравнению с холодильным коэффициентом цикла Карно меньше. Из рис. 16.4 видно, что в обратном цикле Карно отбирается теплоты больше, чем в цикле Лоренца, пл.
1'Заа!' ) пл. 23аа2, й 2. цикл парокомпрессорной холодильной машины В парокомпрессорных холодильных установках в основном осуществляются те же процессы, что и в воздушной холодильной машине. Но благодаря тому, что рабочее тело цикла — низкокипящая жидкость, можно холодильный цикл расположить в двухфазной области состояний, в которой изобарные процессы теплообмена будут протекать изотермическн. Кроме того, понижение давления в цикле можно осуществить не в детандере, а в дроссельном вентиле, в котором процесс дросселирования влажного пара сопро- Рис.
1б.б Рнс. 1б.б вождается понижением температуры. На рис. 16.5 и рис. 16.6 даны схема паровой холодильной установки и ее пикл на Т вЂ” з-диаграмме. Процесс работы установки осуществляется следующим образом (рис. 16.5). В компрессоре 1 происходит адиабатное сжатие пара (процесс 3-4 на рис. 16.6), а затем пар направляется в конденсатор 2, в котором вначале происходит охлаждение при р = сопз( перегретого пара (процесс 4-5), а затем полная конденсация пара (процесс 3-1). Из точки 1 жидкость при температуре Т, и соответствующем давлении насыщения направляется к дроссельному вентилю 3, где происходит процесс дросселирования (процесс 1-2). Из дроссельного вентиля выходит влажный пар. Поступая затем в испаритель 4, влажный пар воспринимает теплоту и содержащаяся в нем жидкость испаряется (процесс 2-3).
Из испарителя пар направ-. ляется снова в компрессор. Холодильный коэффициент этой установки равен (16.15) Теплота д„ воспринимаемая паром в испарителе (процесс 2-3), равна Ча аа 1а. (16.16) 1б2 Работа, затрачиваемая в цикле, равна работе компрессора (расшпрение в дросселе идет без отдачи внешней работы и 1, =- !э) !ц гэ (з. (16.17) Подставляя значения е1, и 1, в уравнение (16.15), получим е= (16.! 8) !4 ьа Значение этого холодильного коэффициента отличается на '5 — 20% от з„и значительно выше, чем у воздушно-холодильных машин.
Таким образом, парокомпрессорная холодильная машина по сравнению с воздушной холодильной установкой имеет более высокое значение е, а также холодопроизводительность. В качестве хладоагентов применяют аммиак ХН,, двуокись углерода СО„хлористый метил СН,С! и так называемые фреоны— фторъхлорпроизводные простейших предельных углеводородов (СГо СС!Г,, СС(эР, и т. п.). $3. Цикл теплового насоса В процессе работы холодильной установки теплота псрекачивается к горячему источнику, повышая его температуру Таким образом, холодильный цикл можно использовать в целях отопления.
Работающая таким образом холодильная установка представляет собой тепловой насос. Тепловой насос забирает теплоту не из охлаждаемой емкости, а из окружающей среды. За счет затраты работы в обратном цикле температура теплоносителя повышается. Эффективность теплового насоса оценивается величиной отопительного коэфгр!гцпенти гр гр = о,!1„, (16.
19) где !1, — количество теплоты, сообщенное нагреваемому объекту; 1„ — работа, подводнмая в цикле. Если в целях отопления используют определенную холодильную машину с холодильным коэффициентом е, то Ч1 =- чэ+ !ц з = Чаlуч гр = е + 1. (16.20) (р ! Т '!', — '!., (! 6.21) Следовательно, чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент. Так как в тепловом насосе (1, > 1„, то и гр > 1. Значеэие отопительного коэффициента в реальных тепловых насосах равно 3 — 5.
Если бы тепловой насос работал по циклу Карно, то с, учетом формул (!6.2) и (16.20) При постоянной температуре нижнего источника теплоты Т, эффективность теплового насоса будет зависеть от температуры, при которой рабочее тело отдает теплоту в отопительную систему. Этой температурой и нужно руководствоваться при выборе теплоносителя. ГЛАВА ХЧ11 МАКСИМАЛЬНАЯ РАБОТА. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИИ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ При переходе рабочего тела из неравновесного состояния в равновесное, максимум работы будет получен тогда, когда процесс изменения состояния рабочего тела обратим.
Для определения максимальной работы рассмотрим расширенную изолированную систему, состоящую из рабочего тела (источника работы) и окружающей среды. Для того чтобы рабочее тело(система) пришло в равновесие со средой, необходимо изменить внутреннюю энергию засчет отвода или подвода теплоты или же за счет совершения работы, так как по первому закону термодинамики Подвод или отвод теплоты внешней среде происходит при постоянной температуре, равной температуре окружающей среды Т„. Если процесс обратим, то рабочее тело получит и отдаст теплоту при этой же температуре. Тогда, по второму закону термодинамики Определим максимальную работу, которая складывается из той работы, которую совершит замкнутая термодинамическая система, и работы р,«(Ч, пошедшей на преодоление давления окружающей среды р».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
