🗊Презентация Холодильные установки. Криогенные жидкости. Компрессоры

ТНиС 08 ● Холодильные установки ● Криогенные жидкости ● Компрессоры

Обратный цикл Карно Холодильная установка предназначена для передачи теплоты q2 от холодного источника Tх к горячему Тг. По II закону термодинамики это возможно только при затрате внешней работы l. Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно: 1-2 – адиабатное расширение рабочего тела; 2-3 – изотермический подвод теплоты от холодного источника к рабочему телу; 3-4 – адиабатное сжатие рабочего тела; 4-1 – изотермический отвод теплоты к горячему источнику.

Холодильный коэффициент Запишем для цикла выражение I закона термодинамики q=q1-q2=l, так как изменение внутренней энергии для цикла Δu=u1-u1=0. Основной характеристикой обратного цикла является его холодильный коэффициент – доля теплоты, переданной от холодного источника к горячему, на единицу затраченной работы: . (1)

Воздушная холодильная установка Воздушная холодильная установка была одной из первых использованных на практике холодильных машин: 1 – детандер; 2 – холодильная камера; 3 – компрессор; 4 – охладитель.

Цикл воздушной холодильной установки 1-2 – адиабатное расширение воздуха в турбодетандере; 2-3 – изобарный подвод теплоты q2 от холодного источника Тх к воздуху; 3-4 – адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре; 4-1 – изобарный отвод теплоты q1 от воздуха к горячему источнику Tг. Цикл воздушной холодильной установки можно рассматривать как обратный цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты.

Холодильный коэффициент Холодильный коэффициент по формуле (1): . (2) После сокращения на ср выражение (2) можно представить в виде: . (3)

Окончательное выражение холодильного коэффициента Для адиабатных процессов 1-2 и 3-4: T1/T2=(p1/p2)(k-1)/k; T4/T3=(p4/p3)(k-1)/k=(p1/p2)(k-1)/k=T1/T2; То есть T4/T1=T3/T2, тогда из выражения (3) окончательно: .

Эффективность воздушной холодильной установки Если бы можно было отводить теплоту из холодильной камеры обратимо при Т3=Тх и отдавать теплоту в охладителе обратимо при Т1=Тг, то это соответствовало бы обратному циклу Карно. Холодильный коэффициент – это фактически удельная холодопроизводительность. Для воздушной холодильной установки ε~1, то есть на перенос единицы теплоты от холодного источника к горячему затрачивается единица работы, что малоэффективно.

Парокомпрессионная холодильная установка 1 – дроссель; 2 – холодильная камера; 3 – компрессор; 4 – конденсатор. Холодильными агентами в таких установках являются низкокипящие жидкости (tн<0 °C при р=1 бар). Причем при отрицательных температурах кипения давление кипения p0 должно быть больше атмосферного, чтобы исключить подсос воздуха в испаритель. Невысокие давления сжатия позволяют изготовить облегченными компрессор и другие элементы холодильной установки.

Требования к холодильным агентам При существенной скрытой теплоте парообразования r желательны низкие удельные объемы v, что позволяет уменьшить габариты компрессора. Хорошим хладагентом является аммиак NH3 (при температуре кипения tк=20 оС, давление насыщения pк=8,57 бар и при t0=-34 оС, p0=0,98 бар). Скрытая теплота парообразования у него выше, чем у других холодильных агентов. Но недостатки его – токсичность и коррозионная активность по отношению к цветным металлам, поэтому в бытовых холодильных установках аммиак не применяется.

Требования к холодильным агентам Неплохими хладагентами являются хлористый метил (СН3CL) и этан (С2H6); сернистый ангидрид (SO2) из-за высокой токсичности не применяется. Широкое распространение в качестве холодильных агентов получили фреоны – фторхлорпроизводные простейших углеводородов (в основном метана). Отличительными свойствами фреонов являются их химическая стойкость, нетоксичность, отсутствие взаимодействия с конструкционными материалами при t200 оС. В прошлом веке наиболее широкое распространение получил R12, или фреон – 12 (CF2CL2 – дифтордихлорметан).

Теплофизические характеристики фреонов R12 имеет следующие теплофизические характеристики: молекулярная масса =120,92; температура кипения при атмосферном давлении p0=1 бар; t0=-30,3 oC; критические параметры: pк=41,32 бар; tк=111,8 оС; vк=1,7810-3 м3/кг; показатель адиабаты k=1,14. Производство фреона – 12, как разрушающего озоновый слой вещества, в России было запрещено с 1996 года [4], разрешено только до 2006 года использование уже произведенного R12. Производство фреона – 22 (R22 или дифтормонохлорметана – CНF2CL), как менее опасного, разрешено до 2025 года; его характеристики: =86,48; температура кипения при p0=1 бар; t0=-40,8 oC; критические параметры: pк=49,86 бар; tк=96 оС; vк=1,9510-3 м3/кг.

Цикл парокомпрессионной холодильной установки 1-2 – адиабатное сжатие пара в компрессоре; 2-3 – изобарное охлаждение пара до температуры конденсации; 3-4 – изобарно-изотермическая конденсация пара в конденсаторе; 4-5 – дросселирование; 5-1 – изобарно-изотермическое кипение жидкого холодильного агента в испарителе. Цикл паро-компрессорной холодильной установки почти соответствует обратному циклу ПТУ.

Холодильный коэффициент Холодильный коэффициент паро-компрессорной холодильной установки: . Требования к холодильному агенту: ● tн<0 °C при рн>ратм, чтобы исключить подсос воздуха в испаритель; ● значительная скрытая теплота парообразования при низких удельных объемах пара, чтобы снизить габариты компрессора; ● низкие давления сжатия, чтобы снизить массу компрессора.

Водо-аммиачная абсорбционная холодильная установка 1 – испаритель (концентриро- ванный раствор NH3 в воде); 2 – конденсатор; 3 – дроссель; 4 – холодильная камера; 5 – абсорбер (слабый раствор NH3 в воде); 6 – насос.

Холодильный агент Холодильным агентом в такой машине является аммиак NH3 с температурой насыщения tн~-33 °С при рн=1 бар. Абсорбент же – это слабый раствор аммиака в воде. При изменении концентрации аммиака в воде в диапазоне с=100…0 % температура насыщения раствора tн=-33…100 °С. В абсорбционной холодильной установке затрачивается не внешняя работа, а теплота q1, поэтому холодильный коэффициент .

Температурный потенциал воды, охлаждающей конденсатор В обычной холодильной установке конденсация рабочего тела происходит при tн=30…50 °С, то есть температура охлаждающей воды на выходе t”в=25…45 °С. Теплота такой воды низкопотенциальная и ее невозможно использовать для отопления. Если же повысить температуру конденсации до tн=80…90 °С, то температура t”в будет 75…85 °С и ее уже можно будет использовать в системе отопления.

Тепловой насос Тепловой насос – это холодильная установка, перекачивающая теплоту на более высокий температурный уровень. При этом испаритель помещается снаружи отапливаемого помещения в воздухе или в водоеме, а конденсатор является сам отопительным радиатором или нагретая в конденсаторе охлаждающая вода поступает в отопительное устройство. Экономичность теплового насоса оценивается отопительным коэффициентом.

Отопительный коэффициент Отопительный коэффициент – это удельная теплота, отданная горячему источнику, на единицу работы: . То есть для паро-компрессорных установок εот=4…5. Тепловой насос может использоваться и для совместного получения теплоты и холода, например, в 1943 году была сооружена аммиачная холодильная установка для катка с искусственным льдом, вода из конденсатора которой поступала в сеть городского теплоснабжения.

Отопление дома тепловым насосом

Газомоторный термотрансформатор [10]

Газомотор

Абсорбционный термотрансформатор [11]

Абсорбционный тепловой насос

Криогенные жидкости Холодильные агенты – это низкокипящие жидкости (Тн=200…250 К при атмосферном давлении). Температуры насыщения некоторых криогенных жидкостей при атмосферном давлении: ● кислород О2 Тн=90,2 К; ● воздух Тн~80 К; ● азот N2 Тн=77,4 К; ● водород Н2 Тн=20,4 К; ● гелий Не Тн=4,2 К.

Применение криогенных жидкостей Криогенные жидкости используются для поддержания низких температур в энергетике, медицине, пищевой промышленности, на транспорте и др. Например, если залить жидкий азот в охлаждаемый объем, то пока весь азот не испарится, в объеме будет сохраняться постоянная температура, равная температуре насыщения азота при атмосферном давлении Тн=77,4 К. Для длительного хранения сжиженных газов используются стеклянные или стальные сосуды Дьюара с двойными стенками, разделенными вакуумным промежутком.

Классификация компрессоров Компрессор – это устройство для сжатия и перемещения газов. Сжатый воздух широко используется в технологических процессах и для привода пневматических механизмов. В турбокомпрессорах кинетическая энергия движущегося с высокой скоростью газа преобразуется в диффузорах в потенциальную энергию давления. Поршневые компрессоры относятся к устройствам объемного сжатия; но термодинамика процессов сжатия одинакова для всех компрессоров.

Допущения При исследовании работы теоретического компрессора принимаются следующие допущения: ● рабочий объем цилиндра равен его геометрическому объему (отсутствует вредное пространство); ● изменение состояния рабочего тела обратимое; ● процессы всасывания и нагнетания изобарные.

1-ступенчатый поршневой компрессор 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – ресивер со сжатым воздухом.

Термодинамические процессы 1-ступенчатого поршневого компрессора 4-1 – изобарное всасывание; 1-2 – политропное сжатие; 1-2и – изотермическое сжатие; 1-2а – адиабатное сжатие; 2-3 – изобарное нагнетание. Политропное сжатие рабочего тела происходит в реальном компрессоре; изотермическое – теоретически возможно при идеальном охлаждении; адиабатное – теоретически возможно при идеальной изоляции компрессора.

Работа компрессора Работы всасывания, сжатия, нагнетания и расширения рабочего тела при v3=v4=0 равны соответственно:

Техническая работа компрессора Сложив все работы, мы получим техническую работу: Это выражение можно преобразовать: Итак, техническая работа компрессора: (1)

Техническая работа политропного компрессора Техническая работа компрессора в pv-диаграмме равна площади цикла 12341, откуда видно, что минимальная работа соответствует изотермическому сжатию, а максимальная – адиабатному. Подставив в уравнение (1) соотношение между параметрами в политропном процессе сжатия pvn=p1v1n, после интегрирования получим техническую работу, Дж/кг: (2)

Термодинамические процессы реального 1-ступенчатого компрессора Реальный компрессор отличается от теоретического наличием вредного объема Vвр (зазора между головкой блока и днищем поршня). Вредный объем может доходить до 10 % от рабочего объема цилиндра Vh. Поэтому в процессе нагнетания 2-3 не весь сжатый газ выталкивается в ресивер.

Вредный объем При ходе поршня вниз оставшийся во вредном объеме газ расширяется (процесс 3-4); всасывающий клапан откроется, когда давление в цилиндре станет несколько меньше давления в окружающей среде. Соответственно, нагнетательный клапан открывается при давлении в цилиндре несколько выше давления сжатого газа в ресивере. Вредный объем снижает производительность компрессора, но он необходим, чтобы исключить возможность удара поршня о головку блока цилиндров.

Степень сжатия в одной ступени При сжатии газа происходит его нагрев. Чтобы температура газа в конце сжатия не превышала температуру самовоспламенения смазочного масла, степень сжатия в одной ступени не должна превышать 6…10. Для получения давлений газа выше 10 бар применяются многоступенчатые компрессоры.

2-ступенчатый поршневой компрессор 1 – цилиндр I ступени; 2 – цилиндр II ступени; 3 –холодильник I ступени; 4 – холодильник II ступени; 5 – ресивер со сжатым воздухом.

Термодинамические процессы 2-ступенчатого поршневого компрессора 7-1 – всасывание в ступени НД; 1-2 – сжатие в цилиндре НД; 2-3 – изобарное охлаждение; 3-4 – сжатие в цилиндре ВД; 4-5 – изобарное охлаждение; 5-6 – изобарное нагнетание. Из рисунка видно, что по сравнению со сжатием 1-2-8 в 1-ступенчатом компрессоре в 2-ступенчатом получается выигрыш в работе сжатия на величину заштрихованной площадки 2-3-4-8-2.

Условия разделения на ступени ● работа 2-ступенчатого компрессора должна быть минимальной, что обеспечивается при равенстве работ; ● сжатие в обеих ступенях должно происходить по одинаковым политропам; ● температуры газа в начале сжатия в каждой ступени должны быть одинаковы.

Условия минимальной работы 2-ступенчатого компрессора В соответствии с формулой (2) техническая работа в I и II ступенях компрессора: (3) (4) По условиям минимальной работы 2-ступенчатого компрессора (см. предыдущий слайд): lI=lII; n=idem; t1=t3, а для изотермы: p1v1=pxvx.

Степень сжатия Приравняв (3) и (4) и выдержав остальные условия, получим степень сжатия «ε» в одной ступени: откуда оптимальное давление между ступенями: Разделив обе части предыдущего равенства на р1, получим:

Турбокомпрессор

Преимущества турбокомпрессоров ● меньшие габариты и масса; ● отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов; ● большая скорость вращения (электродвигатель на валу компрессора); ● большая производительность; ● равномерность подачи воздуха, поэтому не нужны большие резервуары; ● воздух чистый, не загрязненный смазкой; ● отсутствие инерционных усилий из-за отсутствия возвратно-поступательно движущихся поршней.

Недостатки турбокомпрессоров ● несколько меньшие КПД; ● у центробежных компрессоров степень сжатия до 8…10, производительность до 10 м3/с; ● у осевых компрессоров степень сжатия до 4…5, производительность очень высокая; ● поэтому при V>5 м3/с лучше использовать осевые компрессоры с приводом от газовой турбины. Есть также компрессоры струйные, ротационные и винтовые.