![](/user_photo/_userpic.png)
9905
.pdf110
уравнений баланса теплоты для первого и второго подогревателей:
|
|
|
|
i |
i |
|
|
|
|
|
|
α |
отб1 |
отб 2 |
; |
|
(257) |
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
1 |
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
отб1 |
отб 2 |
|
|
||
|
|
|
(1 α )(i |
i ) |
|
|
|||
α |
|
|
|
1 |
отб 2 |
2 |
. |
(258) |
|
2 |
|
(iотб 2 i2 ) |
|||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
где iотб1 – энтальпия пара в первом отборе; iотб2 – энтальпия пара во втором отборе;
i'отб1 – энтальпия конденсата при давлении пара первого отбора; i'отб2 – энтальпия конденсата при давлении пара второго отбора; i'2 – энтальпия конденсата при конечном давлении пара.
Полезная работа 1 кг пара в регенеративном цикле с двумя отборами со-
ставляет
l0p i1 i2 α1(iотб1 i2 ) α2 (iотб 2 i2 ).
Количество теплоты, затраченной на 1 кг пара, составляет i1 – i'отб1.
Термический к.п.д. регенеративного цикла с двумя отборами
η |
|
q q |
|
lop |
|
i i α (i |
i ) α |
2 |
(i |
i ) |
. |
1 2 |
|
1 2 1 отб1 |
2 |
отб 2 |
2 |
||||||
t p |
|
q |
|
i i |
|
i |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
1 |
|
отб1 |
|
1 |
отб1 |
|
|
|
|
Удельный расход пара в регенеративном цикле
d0 p |
|
|
3600 |
,кг/ (кВт ч), |
|
|
|
|
|||
i1 |
i2 |
α1(iотб1 i2 ) α2 (iотб 2 i2 ) |
|||
|
|
(259)
(260)
(261)
если значения i взяты в кДж/кг.
Подробное исследование регенеративного цикла показывает, что его тер-
мический к.п.д. всегда больше термического к.п.д. цикла Ренкина с теми же начальными и конечными параметрами. Экономия от применения регенератив-
ного цикла растет с увеличением отборов пара.
11.4 Бинарный цикл
Сравнение цикла Ренкина с циклом Карно (рис. 66) показывает, что по-
лезная работа цикла Ренкина (площадь 5-6-7-8-9-5) значительно меньше полез-
ной работы цикла Карно (площадь 5-0-8-9-5). Так как при этом количество от-
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV112x1.jpg)
111
водимой теплоты для обоих циклов одинаково, то термический к.п.д. цикла Ренкина значительно ниже к.п.д. цикла Карно, совершающегося в пределах тех же температур.
Рис. 66 |
Рис. 67 |
Из рис. 66 видно, что работа цикла Ренкина, а, следовательно, и к.п.д.
этого цикла были бы значительно выше, если температура насыщения (точка 6)
при данном давлении была бы выше.
Так как зависимость tн = f (р) определяется физическими свойствами ра-
бочего тела, возникла мысль использовать в качестве рабочих тел для пароси-
ловых установок другие жидкости, для которых при тех же давлениях темпера-
тура кипения значительно выше температуры кипения воды. В качестве таких жидкостей были предложены ртуть и дифенил. Зависимость между давлением и температурой насыщения для воды, дифенила и ртути показана на рис. 67, а
таблица ртутных насыщенных паров приведена в специальной справочной ли-
тературе.
Ввиду дополнительных требований, предъявляемых к рабочему телу па-
росиловых установок, и трудности подыскания такого вещества, которое удо-
влетворяло бы всем требованиям, осуществляют циклы с двумя рабочими те-
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV113x1.jpg)
112
лами. Такие циклы получили название бинарных циклов.
На рис. 68 дана тепловая схема бинарной ртутно-водяной установки.
Ртутный пар, полученный в котле 1, направляется в ртутную турбину 2.
Из турбины ртутный пар поступает в конденсатор-испаритель 3, в котором пар ртути конденсируется, а освободившаяся теплота расходуется на испарение во-
ды. Насыщенный водяной пар из конденсатора-испарителя поступает в паропе-
регреватель 4, затем в турбину 5 и далее идет в конденсатор 6; конденсат с по-
мощью насоса подается в конденсатор-испаритель. Жидкая ртуть из конденса-
тора-испарителя поступает в ртутный котел.
Рис. 68
Цикл 1-2-3-4-1 (см. рис. 66) представляет собой круговой процесс, совер-
шаемый ртутью.
Начальная точка цикла точка 1. Она характеризует состояние ртути при поступлении ее в ртутный котел. Линия 1-2 изображает нагрев жидкой ртути,
причем точка 2 соответствует температуре кипения при данном давлении. По-
следнее выбирают таким, чтобы температура в точке 2 соответствовала наибольшей допустимой температуре. Уже при 1МПа для ртути температура кипения равна 515 °С. Линия 2-3 изображает парообразование в котле, 3-4 –
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV114x1.jpg)
113
адиабатное расширение ртутного пара в парортутной турбине и 4-1 – конденса-
цию отработавшего пара в конденсаторе-испарителе. Точку 4 выбирают в зави-
симости от того, какое давление выбрано для второго рабочего тела – воды.
Применение бинарных циклов значительно повышает термический к.п.д.
установки.
Задача
В паросиловой установке, работающей при начальных параметрах
р1 = 11 МПа; t1 = 500 °С; р2 = 0,004 МПа, введен вторичный перегрев пара при
р' = 3 МПа до начальной температуры t' = t1 = 500 °С.
Определить термический к.п.д. цикла с вторичным перегревом.
Решение
Рис. 69
Заданный цикл изображаем в диаграмме i-s и по ней находим (рис. 69): i1 = 3360 кДж/кг; i3 = 2996 кДж/кг;
i4 = 3456 кДж/кг; i2 = 2176 кДж/кг; i'2= 121,4 кДж/кг.
Работа 1 кг пара в цилиндре высокого давления (до вторичного перегрева)
114
i1 i3 3360 2996 364 кДж/ кг.
Работа 1 кг пара в цилиндре низкого давления (после вторичного пере-
грева)
i4 i2 3456 2176 1280 кДж/ кг.
Суммарная работа 1 кг пара
l0 (i1 i3 ) (i4 i2 ) 364 1280 1644 кДж/ кг.
Подведенная в цикле теплота в паровом котле
i1 i2 3360 121,4 3238,6 кДж/ кг,
а при вторичном перегреве
i4 i3 3456 2996 460 кДж/ кг.
Количество теплоты, затраченной в цикле,
(i1 i2 ) (i4 i3 ) 3238,6 460 3698,6 кДж/ кг.
Термический к.п.д. цикла с вторичным перегревом
η |
(i1 |
i3 ) (i4 |
i2 ) |
|
1644 |
0, 445. |
|
|
|
|
|||
t |
(i1 |
i2 ) (i4 |
i3 ) |
3698,6 |
|
|
|
|
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV116x1.jpg)
115
12. ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Холодильные установки служат для искусственного охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совер-
шает обратный круговой процесс, в котором в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается теплота от охлаждаемого тела.
Рис. 70
Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно
(рис. 70). В результате осуществления этого цикла затрачивается работа l0 и
тепло q от холодного тела переносится к более нагретому телу.
Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты q0 (произве-
денного холода) к затраченной работе q – q0 носит название холодильного ко-
эффициента и является характеристикой экономичности холодильной маши-
ны:
ε |
q0 |
|
q0 |
. |
(262) |
|
|
||||
|
q q0 |
|
l0 |
|
Очевидно, максимальное значение холодильного коэффициента при за-
данном температурном интервале равно холодильному коэффициенту обратно-
го цикла Карно, т. е.
εк |
T |
. |
(263) |
|
|||
|
T T0 |
|
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV117x1.jpg)
|
116 |
|
Отношение |
ε |
характеризует степень термодинамического совершенства |
|
||
|
εк |
применяемого цикла.
В качестве холодильных агентов применяют воздух и жидкости с низки-
ми температурами кипения: аммиак, углекислоту, сернистый ангидрид и в по-
следнее время фреоны (галоидные производные насыщенных углеводородов).
12.1 Цикл воздушной холодильной установки
На рис. 71 дана схема воздушной холодильной установки: охлаждаемое помещение 1 или холодильная камера, в которой по трубам циркулирует охла-
жденный воздух; компрессор 2, всасывающий этот воздух и сжимающий его;
охладитель 3, в котором охлаждается сжатый в компрессоре воздух; расшири-
тельный цилиндр 4, в котором воздух расширяется, совершая при этом работу и понижая свою температуру. Из расширительного цилиндра холодный воздух направляют в холодильную камеру, где он, отнимая теплоту от охлаждаемых тел, нагревается и вновь поступает в компрессор. В дальнейшем этот цикл по-
вторяется.
Рис. 71 |
Рис. 72 |
На рис. 72 дан теоретический цикл воздушной холодильной установки в диаграмме p-v. Точка 1 характеризует состояние воздуха, поступающего в ком-
прессор; линия 1-2 – процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка 2 – со-
стояние воздуха, поступающего в охладитель; точка 3 – состояние воздуха, по-
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV118x1.jpg)
117
ступающего в расширительный цилиндр; линия 3-4 – адиабатный процесс рас-
ширения; точка 4 – состояние воздуха, поступающего в холодильную камеру
(охлаждаемое помещение), и линия 4-1 – процесс нагревания воздуха в этой камере. Площадь 1-2-6-5-1 измеряет работу, затраченную компрессорами на сжатие, а площадь 3-6-5-3 представляет собой работу, полученную в расшири-
тельном цилиндре. Следовательно, затрата работы в теоретическом цикле воз-
душной холодильной установки измеряется площадью 1-2-3-4, а количество теплоты, отнятой от охлажденных тел, равно количеству теплоты, воспринятой воздухом в процессе 4-1. Этот же цикл в диаграмме T-s изображен на рис. 73.
Площадь, лежащая под кривой 4-1, соответствует количеству теплоты q0, отве-
денной от охлаждаемых тел; площадь, лежащая под кривой 2-3, соответствует количеству теплоты, переданной охлаждающей воде в охладителе, а площадь
1-2-3-4-1 – работе, затраченной в цикле.
Рис. 73 |
|
Холодопроизводительность 1 кг воздуха q0 |
определяется из уравнения |
q0 i1 i4 cpm (T1 T4 ), |
(264) |
где Т1 – температура воздуха, выходящего из холодильной камеры и поступа-
ющего в компрессор; Т4 – температура воздуха, входящего в холодильную ка-
меру; срт – средняя массовая теплоемкость воздуха при постоянном давлении.
118
Работа, затраченная компрессором
lк i2 i1 cpm (T2 T1), |
(265) |
||
где Т2 – температура воздуха после его сжатия в компрессоре. |
|
||
Работа, полученная в расширительном цилиндре |
|
||
lр.ц i3 i4 cpm (T3 T4 ), |
(266) |
||
где Т3 – температура воздуха перед расширительным цилиндром. |
|
||
Работа, затраченная в цикле, определяется по уравнению |
|
||
l0 lк lр.ц . |
(267) |
||
Расход холодильного агента |
|
||
M |
Q0 |
, кг/ с. |
(268) |
|
|||
|
q0 |
|
где Q0 и q0 – соответственно холодопроизводительность установки и холодо-
производительность 1 кг воздуха в кДж/с и кДж/кг (или в ккал/с и ккал/кг).
Холодильный коэффициент
ε |
q0 |
|
q0 |
|
T1 |
|
|
T4 |
. |
(269) |
|
|
|
|
|
||||||
|
q q0 |
|
l0 |
|
T2 T1 |
T3 |
T4 |
|
Холодильный коэффициент можно выразить также в функции отношения конечного и начального давлений в компрессоре:
ε |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
. |
(270) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
k 1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
k |
|
|
|
|
p |
|
k |
|
|
|
|||
|
|
2 |
|
1 |
|
|
3 |
|
|
|
1 |
|
||||
p1 |
p4 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Теоретическая мощность, необходимая для привода компрессора, |
|
|||||||||||||||
|
|
|
Nтеор Ml0 , кВт, |
|
|
(271) |
если l0 выражено в кДж/кг.
Основным недостатком воздуха как холодильного агента является его ма-
лая теплоемкость, а, следовательно, и малое количество теплоты, отнимаемой от охлаждаемого тела 1 кг агента. Вследствие этого, а также других причин воздушные холодильные установки не получили широкого распространения.
![](/html/65386/175/html_nz8gCME3ei.egdP/htmlconvd-D_8XWV120x1.jpg)
119
12.2 Цикл паровой компрессорной холодильной установки
Схема паровой компрессорной холодильной установки дана на рис. 74.
Насыщенный пар аммиака (или другого рабочего тела) при температуре, близ-
кой к температуре охлаждаемого помещения 1, всасывается компрессором 2 и
адиабатно сжимается. Из компрессора пар аммиака поступает в конденсатор 3,
где при постоянном давлении он конденсируется вследствие отнятия у него теплоты охлаждающей водой. Полученный жидкий аммиак поступает в редук-
ционный вентиль 4, в котором происходит его дросселирование, сопровождае-
мое падением давления и температуры. При этом аммиак частично испаряется.
Рис. 74
Полученный весьма влажный насыщенный пар (степень сухости х обыч-
но находится в пределах 0,01-0,15) с низкой температурой и является хладоно-
сителем. Его направляют в трубы охлаждаемого помещения, где за счет тепло-
ты, отбираемой от охлаждаемых тел, степень сухости его увеличивается, и он снова направляется в компрессор. В дальнейшем этот цикл повторяется.
На практике применяют паровые компрессорные установки с промежу-
точным теплоносителем. В качестве такого теплоносителя применяют рассо-
лы, т. е. растворы в воде различных солей, главным образом поваренной соли
NaCl, хлористого кальция СаС12 и хлористого магния MgCl2, не замерзающие при низких температурах.