Из приведенной схемы установки видно, что абсорбционный узел этой установки, состоящий из абсорбера 3, генератора аммиачного пара 5, насоса 4 и редукционного вентиля 7, служит в конечном итоге для сжатия аммиачного пара от давления р2 на выходе из испарителя до давления р1 на входе в конденсатор. Преимущество этого способа сжатия аммиачного пара заключается в том, что если в обычной парокомпрессионной установке на сжатие пара затрачивается значительная работа, то в случае абсорбционной установки насос повышает давление жидкости (водоаммиачный раствор), причем затрата работы на привод этого насоса пренебрежимо мала по сравнению с затратой работы в компрессоре, да и сам насос компактен и конструкционно прост. Конечно, выигрыш в работе, затрачиваемой на привод компрессора, компенсируется затратой теплоты в генераторе аммиачного пара 5; эта теплота отводится затем охлаждающей водой в абсорбере 3, так что qабс= qпг (если пренебречь работой насоса).

7) При растворении аммиака в воде температура раствора возрастает, при этом уменьшается растворимость аммиака в воде. Поэтому, если не отводить от раствора теплоту, процесс абсорбции вскоре прекратится.

8) Поскольку слабый водный раствор аммиака по своим свойствам близок к воде, а температура этого раствора в холодильных установках заведомо меньше 248 °С -- температуры, ниже которой коэффициент Джоуля--Томсона для воды в жидкой фазе отрицателен, дросселирование раствора сопровождается некоторым увеличением температуры, однако это изменение температуры пренебрежимо мало (для воды при Т = 20 °С -0,2*10-5 м2 *К/кг).

Коэффициент теплоиспользования абсорбционной холодильной установки определяется соотношением

здесь q2-- теплота, отводимая из охлаждаемого объема, a qпг -- теплота, подводимая в генераторе аммиачного пара.

Ранее абсорбционные холодильные установки были довольно широко распространены, однако с развитием компрессоростроения они были вытеснены компрессионными холодильными установками. Однако абсорбционное охлаждение и сейчас иногда применяется в холодильной технике (в том числе в некоторых типах бытовых холодильников). Абсорбционные холодильные установки целесообразно применять в том случае, когда для выпаривания аммиака из раствора в генераторе аммиачного пара может быть использован отработавший пар или другие теплоносители низкого температурного потенциала.

2.6 Цикл термоэлектрической холодильной установки

Термоэлектрический метод охлаждения основан на использовании эффекта Пельтье. Напомним, что существо этого эффекта заключается в том, что если в термоэлектрической цепи пропускается ток от внешнего источника, то один из спаев цепи поглощает теплоту, а другой ее выделяет. Количество теплоты Q, поглощаемой или выделяющейся в спае, пропорционально силе тока в цепи:

Если температуру среды, в которую помещен спай, выделяющий теплоту, обозначить Т1, а температуру среды, в которую помещен спай, поглощающий теплоту -- Т2, то выражения для количеств теплоты, выделяющейся (Q1) и поглощаемой (Q2) в спаях, можно записать следующим образом:

Отсюда следует, что если T1> T2, то и Q1 > Q1 , т.е. в горячем спае выделяется большее количество теплоты, чем поглощается в холодном. Очевидно, что разность

равна затрате электроэнергии от внешнего источника. Эта энергия расходуется на совершение работы перемещения тока против разности электрических потенциалов, которая возникает в этой цепи при неравенстве T1 и Т2 в соответствии с законом Зеебека; в самом деле, в соответствии с уравнением (12.2) разность потенциалов в цепи

и, следовательно, работа электрического тока в этой цепи, равная, как известно, произведению силы тока на разность потенциалов, составит:

что совпадает с (13.29).

Если поместить спай, поглощающий теплоту, в охлаждаемый объем (температура спая Т2), а спай, выделяющий теплоту, в область более высокой температуры (T1), то мы получим термоэлектрическую холодильную установку (рис.13.20).

Цикл термоэлектрической холодильной установки представляет собой обратный цикл термоэлектрического генератора.

Если бы протекание тока по термоэлектрической цепи не сопровождалось необратимыми потерями, то холодильный коэффициент такой установки в соответствии с (13.2а) был бы равен:

Эта величина совпадает с холодильным коэффициентом обратимого холодильного цикла Карно. Это и не удивительно: отвод теплоты из охлаждаемого объема происходит при постоянной температуре T2=const, а отдача теплоты горячему источнику -- также при постоянной температуре T1=const, и, кроме того, мы предположили, что необратимые процессы отсутствуют.

В действительности работа термоэлектрической холодильной установки сопровождается необратимыми потерями двух типов: во-первых, распространение тока по проводнику сопровождается неизбежными джоулевыми потерями

и, во-вторых, по проводникам, из которых составлена цепь, непрерывно перетекает теплота от горячего спая к холодному за счет теплопроводности.

Джоулевы потери определяются соотношением (12.21)

где r -- сопротивление термоэлектродов. Величина r в свою очередь определяется соотношением (12.22):

Приток теплоты к холодному спаю из горячего источника за счет теплопроводности вдоль проводников Qл определяется из уравнения (12.18)

или, что то же самое [см. (12.20)],

Можно считать, что половина теплоты, выделяющейся в цепи в виде джоулевых потерь, поступает к холодному спаю, а половина -- к горячему.

Следовательно, количество теплоты Q2, отбираемой холодным спаем из охлаждаемого объема, будет меньше теплоты, определяемой уравнением (13.28), на величину притока теплоты за счет джоулевых потерь (половина общей величины этих потерь) и за счет теплопроводности:

Работа цикла Lц=Q1 - Q2, которая при отсутствии необратимых потерь определялась соотношением (13.29), должна включать и работу на преодоление электрического сопротивления цепи (джоулевы потери), так что



Следовательно, в соответствии с уравнением (13.2) выражение для холодильного коэффициента действительного цикла термоэлектрической холодильной установки можно записать в виде

Сравнение этого выражения с уравнением (13.30) показывает, как и следовало ожидать, что необратимые потери снижают величину холодильного коэффициента.

При этом очевидно, что чем выше значение б, чем меньше удельное сопротивление проводников, из которых составлена термоэлектрическая цепь(т.е.чем меньше Qдж), и чем меньше коэффициент теплопроводности этих проводников (т.е. чем меньше Qл), тем выше значение холодильного коэффициента. Иными словами, холодильный коэффициент тем выше, чем выше значение коэффициента z, характеризующего свойства термоэлектрических материалов.

Покажем это подробнее. Как видно из (13.33), холодильный коэффициент термоэлектрической холодильной установки зависит от величины тока I, т.е. от величины приложенного к термоэлектродам напряжения ?Е. Заменяя в (13.33) величину I из уравнения закона Ома

где r -- сопротивление термоэлектродов, и подставляя значение Qл из уравнения (12.20), а Qдж -- из уравнения (12.21), получаем:

Здесь использовано обозначение (12.30)

для величины, характеризующей термоэлектроды термоэлектрической цепи. С учетом введенного обозначения

получаем

Подставляя это значение ?E* в уравнение (13.34), находим максимальное значение е при данных T1, T2 , б, Л и r:

Первый сомножитель, стоящий в правой части этого уравнения, представляет собой холодильный коэффициент обратного цикла Карно, а второй сомножитель учитывает уменьшение этого холодильного коэффициента вследствие необратимых процессов (теплопроводность и джоулевы потери).

Из уравнения (13.36) следует, что е тем ближе к величине , чемT2/( T1- T2) больше значение v* по сравнению с Т1/Т2 . В свою очередь, как видно из (12.34), v* тем больше, чем больше значение z. Следовательно, значение е тем выше, чем больше z.

Наибольшие значения z имеют полупроводниковые термоэлементы. Применение полупроводниковых термоэлементов позволяет получить значение е на один-два порядка больше, чем в случае металлических термоэлементов.

Порядок величины е для цикла термоэлектрической холодильной установки на полупроводниках может быть оценен на следующем примере. Рассмотрим полупроводниковую холодильную установку, термоэлектрическая цепь которой составлена из материалов, характеризуемых следующими свойствами: б=3*10-4 В/К; рэ?рээ?10-51 Ом*м; л1?л2?1Вт(м*К). Длину электродов примем равной l = 0,01 м, а плотность тока в электродах j = 2*105 А/м (0,2 А/мм2). Температура охлаждаемого объема T2= -5°С, а температура окружающей среды T1= 20 °С.

Вычислим холодильный коэффициент цикла этой установки. Расчеты будем вести на 1 мм2 (т.е. у = 10-6 м2 ) площади сечения каждого электрода.

В соответствии с уравнениями (12.19) и (12.20)

а в соответствии с уравнением (12.16)

Далее,



С учетом этих значений получаем из (13.31) и (13.32):

так что:

Значение е для холодильного цикла Карно, осуществляемого в этом интервале температур, равно в соответствии с (13.30):

что более чем в 14 раз превышает значения для действительной холодильной установки.

Как видно из этого примера, термоэлектрические холодильные установки термодинамически весьма несовершенны. Однако благодаря простоте устройства и надежности в работе они получили определенное распространение в качестве небольших холодильных установок.

2.7 Принцип работы теплового насоса

В процессе работы всякой холодильной установки теплота отбирается из охлаждаемого объема и сообщается среде с более высокой температурой. Следовательно, результатом осуществления холодильного цикла является не только охлаждение теплоотдатчика, но и нагрев теплоприемника.

Это позволило Кельвину в 1852г. выдвинуть предложение об использовании холодильного цикла для отопления помещений, т.е. о создании так называемого теплового насоса.

Тепловым насосом называют холодильную установку, используемую обычно для подвода теплоты к нагреваемому объему. Такого рода установку называют тепловым насосом потому, что она как бы «перекачивает» теплоту из холодного источника в горячий; в горячий источник поступает теплота q1, равная сумме теплоты q2, отобранной от холодильного источника, и работы lц, подводимой извне для осуществления этого холодильного цикла. По существу тепловым насосом является всякая холодильная установка, однако этот термин обычно применяется для обозначения тех установок, главной задачей которых является нагрев теплоприемника.

Эффективность теплового насоса оценивается так называемым отопительным коэффициентом, представляющим собой отношение количества теплоты q1, сообщенной нагреваемому объему, к работе lц, подведенной в цикле:

Нетрудно установить связь отопительного коэффициента еотоп с холодильным коэффициентом е той же установки; поскольку [см. (13.1)]

то с учетом (13.2) получаем из (13.37):

Из этого соотношения следует, что чем выше холодильный коэффициент, тем выше и отопительный коэффициент цикла.

На осуществление любого холодильного цикла (в том числе, разумеется, и цикла установки, используемой в качестве теплового насоса) расходуется подводимая от внешнего источника работа lц10). Эта работа затрачивается на привод компрессора или другого аппарата, осуществляющего сжатие хладагента. Разумеется, вся эта работа может быть полностью превращена в теплоту (например, в электронагревателе), которую можно будет использовать для нагрева помещения. Преимущество теплового насоса перед любыми другими отопительными устройствами состоит в том, что при затрате одного и того же количества энергии (lц) с помощью теплового насоса к нагреваемому помещению подводится всегда большее количество теплоты (lц+q2), чем то, которое подводится при любом другом способе отопления (так, при использовании электронагрева количество теплоты, подведенной к нагреваемому объему, равно lц). Это не должно вызывать удивления: если электронагреватель лишь превращает работу в теплоту, то тепловой насос с помощью того же количества работы превращает теплоту низкого температурного потенциала в теплоту более высокого температурного потенциала («перекачивает» тепло).

Поскольку в тепловом насосе всегда q1> lц, следовательно, всегда еотоп > 1; это видно из уравнения (13.38).

Обычно отопительный коэффициент обратимых циклов тепловых насосов значительно больше единицы. Так, если в тепловом насосе осуществляется обратный цикл Карно, то в том случае, если температура охлаждаемого пространства T2= 0 °С, а температура нагреваемого помещения T1 = 25 °С, отопительный коэффициент такого насоса, определяемый соотношением (13.38), с учетом (13.8)

будет равен:

т.е. в этом случае в отапливаемое помещение подается теплота, количество которой в 11,9 раза превышает работу, затраченную в цикле.

Отопительные коэффициенты тепловых насосов, в которых используются циклы холодильных установок, менее совершенные, чем цикл Карно, имеют меньшее значение.

Уменьшение еотоп в реальных установках вызывается также неизбежными потерями вследствие необратимости процессов в различных элементах установки. Отопительный коэффициент реальных тепловых насосов может составлять 3, 4 и более.

Впервые парокомпрессионная аммиачная теплонасосная установка была использована для отопления помещения в 1930г. С тех пор было сооружено большое число тепловых насосов. Особенно быстро количество тепловых насосов растет в последние десятилетия; сфера их применения непрерывно расширяется.

В тепловых насосах используются циклы воздушных, парокомпрессионных и термоэлектрических холодильных установок.

9) В циклах пароэжекторной и абсорбционной установок подводится, как помнит читатель, не работа, а теплота.

Следует заметить, что холодильные установки могут использоваться и для совместного получения теплоты и холода. Например, еще в 1943г. была сооружена аммиачная холодильная установка, предназначенная для катка с искусственным льдом; при этом вода, охлаждавшая конденсатор этой установки и за счет этого заметно нагревавшаяся, поступала в сеть городского теплоснабжения.

2.8 Методы сжижения газов

В лабораторной и производственной практике зачастую возникает необходимость кратковременного поддержания низких температур в том или ином объеме. Было бы неоправданным в каждом таком случае сооружать специальную холодильную установку. Гораздо более удобен способ, обычно применяемый в этих случаях,-- использование сжиженных газов. Сжиженные газы используются также в энергетике, на транспорте, в пищевой промышленности, для ректификационных процессов и т.д. Все шире применяется транспортировка природного газа в сжиженном виде.

В табл.13.2 приведены температуры кипения некоторых сжиженных газов при атмосферном давлении.

Если каким-либо образом сжижить газ, например азот, и затем залить этот жидкий азот в охлаждаемый объем, то, поскольку процесс испарения всякой чистой жидкости при постоянном давлении происходит при неизменной температуре, температура в охлаждаемом объеме будет сохраняться постоянной и равной температуре насыщения азота при атмосферном давлении, составляющей 77,4 К. Периодически восполняя потерю азота вследствие испарения (доливая жидкий азот в объем), можно поддерживать низкую температуру в охлаждаемом объеме.

Для длительного хранения сжиженных газов используют так называемые сосуды Дьюара -- стеклянные или металлические сосуды с двойными стенками, разделенными вакуумным промежутком.

Если давление в объеме, в котором происходит испарение сжиженного газа, уменьшить по сравнению с атмосферным, то температура испаряющейся жидкости уменьшится и температура охлаждаемого объема станет несколько ниже. Практически для снижения давления газа, находящегося в равновесии со своей жидкостью, используется непрерывная откачка этого газа из охлаждаемого объема с помощью форвакуумных насосов; в этом случае охлаждаемый объем должен быть изолирован от окружающей атмосферы. Регулируя интенсивность откачки, можно изменять давление в охлаждаемом объеме и тем самым температуру испаряющейся жидкости.

Как видно из табл.13.2, низшую температуру кипения при атмосферном давлении имеет гелий (4,2К). Применение откачки газообразного гелия из охлаждаемого объема позволяет поддерживать температуру гелия равной примерно 0,71 К [при этом давление насыщения равно 0,48 Па (3,6*10-3 мм рт. ст.)].

Сжиженные газы используются не только в качестве хладагентов, но и для других целей. Для сжижения газов используются три основных метода -- каскадный метод Пикте, метод Линде и метод Клода.

Метод Пикте -- это наиболее старый метод сжижения газов. Он назван по имени швейцарского физика Р.П. Пикте, предложившего этот метод в 1877г. Для сжижения газов методом Пикте используется комбинация нескольких парокомпрессионных холодильных циклов (каскад). Схема установки, в которой осуществляется каскадный метод сжижения, изображена на рис.13.21. В верхнем цикле I каскада конденсация хладагента в конденсаторе Kэ осуществляется за счет отдачи теплоты охлаждающей воде. В цикле II используется другой хладагент, имеющий более низкую температуру кипения (при том же давлении), чем хладагент первого цикла. При этом конденсация хладагента второго цикла в конденсаторе Kээ осуществляется за счет отдачи теплоты циркулирующему через этот конденсатор испаряющемуся хладагенту первого цикла (хладагент первого цикла выполняет для второго цикла ту же роль, что и охлаждающая вода для первого цикла) 11) .

При такой схеме организации цикла верхняя температура второго цикла Т1ээ будет близка к нижней температуре первого цикла Т12 (немного выше этой температуры) и, следовательно, нижняя температура второго цикла Т2ээ будет в этом случае значительно ниже, чем в случае охлаждения конденсатора водой. В следующем, третьем цикле каскада (III) используется еще более низкокипящий хладагент. В конденсаторе этого цикла Kэ ээ теплота от конденсирующегося хладагента третьего цикла отбирается испаряющимся хладагентом второго цикла; благодаря этому Т2ээ?Т1ээ э.

В четвертом цикле каскада (IV ) используется газ, подлежащий сжижению. В конденсаторе KIV этот газ предварительно охлаждается до температуры ,T1 IV близкой к Т2ээ э .

Затем в редукционном вентиле этот газ расширяется до состояния, соответствующего двухфазной смеси. Жидкий компонент смеси отделяется (сепарируется) и выводится из циркуляционного контура, а несжиженная часть газа поступает на вход компрессора и повторяет цикл. Для компенсации сжиженного газа (выводимого из контура) в циркуляционный контур непрерывно добавляется газ извне.

10) С той разницей, что охлаждающая вода в конденсаторе не испаряется, а лишь несколько нагревается.

Следует обратить внимание на то, что по схеме каскадный цикл в известной мере сходен с бинарным теплосиловым циклом (с той разницей, что бинарный теплосиловой цикл составлен из прямых циклов, а каскадный -- из обратных).

Число циклов (ступеней) в каскаде может быть различным в зависимости от того, какой газ сжижается. Например, для сжижения воздуха можно в принципе использовать четырехступенчатый каскад, аналогичный изображенному на рис.13.21. В первом цикле используется аммиак, во втором -- этилен, в третьем --кислород, а в четвертом сжижаемый газ -- воздух. Эта же четырехступенчатая схема может быть использована и для сжижения азота. В принципе можно использовать пятиступенчатый каскад для сжижения неона или водорода, а шестиступенчатый-- для сжижения гелия.

С помощью каскада Пикте в 1877г. были сжижены кислород, азот и оксид углерода.

Схема ожижительной установки, выполненной по методу Пикте, очень сложна; эта установка состоит из нескольких циркуляционных контуров, включает в себя несколько компрессоров, конденсаторов, редукционных вентилей и т.д. Это затрудняет эксплуатацию таких установок, и в виде, показанном нарис.13.21, такая установка в настоящее время не используется.

Значительно более компактна и проста в эксплуатации ожижительная установка, выполненная по методу Линде.

В методе Линде, впервые предложенном и осуществленном в 1895г., сжижение достигается посредством охлаждения газа при адиабатном дросселировании с предварительным охлаждением этого газа перед дросселированием. Схема ожижительной установки, выполненной по методу Линде, изображена на рис.13.22.

Газ, подлежащий сжижению, сжимается компрессором 1 до давления p1, охлаждается посторонним хладагентом в теплообменнике-охладителе 2 и затем подается к редукционному вентилю 3. Проходя через вентиль, газ дросселируется до давления p2, и его температура при этом понижается (разумеется, если состояние газа перед дросселированием располагается под кривой инверсии), однако пока еще эта температура далека от температуры кипения этого вещества при давлении р2, обычно равном атмосферному. Затем несколько охладившийся газ направляется в теплообменник 4, где он противотоком омывает трубопровод (по которому газ подается к редукционному вентилю), и после этого поступает в компрессор. В результате процесса регенеративного теплообмена в теплообменнике температура газа, поступающего к вентилю, понижается; следовательно, понижается и температура газа за дросселем. В свою очередь этот газ в теплообменнике еще более охлаждает те порции газа, которые поступают к дросселю. Температура газа за дросселем становится еще более низкой и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока температура газа за редукционным вентилем не станет равна температуре насыщения при давлении р2. Далее температура уже не понижается, а происходит конденсация газа при постоянной температуре. При этом из редукционного вентиля выходит двухфазная смесь. Жидкая фаза отделяется и выводится из установки, а газ через теплообменник возвращается в компрессор.



Применение теплообменника-охладителя 2 необходимо в том случае, когда сжижается газ, у которого температура инверсии ниже, чем комнатная температура: в этом случае дросселирование газа будет приводить не к понижению, а к повышению температуры. Поэтому при сжижении кислорода по методу Линде используется предварительное охлаждение жидким аммиаком, при сжижении водорода (Tинв?183 К) -- жидким азотом, а при сжижении гелия (Тинв?38 К) --жидким водородом.

Пользуясь методом Линде с предварительным охлаждением, английский физик Д. Дьюар в 1898г. впервые получил жидкий водород. Метод Линде был использован и для сжижения гелия, имеющего по сравнению с любыми другими газами самую низкую точку кипения (4,2 К); впервые жидкий гелий был получен в 1908г. голландским физиком Г. Камерлинг-Оннесом.

В ожижительных установках, работающих по методу Клода12), наряду с принципиально необратимым процессом расширения газа при адиабатном дросселировании используется адиабатное расширение с отдачей работы в детандере.

Адиабатное расширение с отдачей внешней работы обеспечивает более эффективное охлаждение газа или жидкости, чем адиабатное дросселирование. В соответствии с уравнением (7.140)

т.е.

откуда следует, что при одних и тех же значениях p1 и p2 и одинаковой начальной температуре газа T1 температура газа после расширения Т2 подчиняется неравенству

где индекс (h) относится к адиабатному дросселированию, а (s) -- к адиабатному расширению с отдачей работы.

Мы уже отмечали, что меньшая глубина охлаждения газа при адиабатном дросселировании по сравнению с охлаждением при адиабатном расширении c производством работы объясняется наличием принципиально неустранимых потерь вследствие необратимости в процессе дросселирования.

Схема ожижительной установки, работающей по методу Клода (обычно эти установки называют детандерными ожижителями), изображена на рис.13.23. Отличие ее от установки Линде состоит в том, что вместо редукционного вентиля в ней используется детандер 2. Так же как и в установке, работающей по схеме Линде, в детандерном ожижителе применяется предварительное охлаждение газа, сжатого в компрессоре 1, в противоточном регенеративном теплообменнике 3. Что же касается теплообменника-охладителя, то его применение в детандерном ожижителе необязательно: поскольку при расширении газа в детандере температура газа всегда понижается, можно сжижать газ и без предварительного охлаждения посторонним хладагентом. Такое предварительное охлаждение применяется в детандерных ожижителях лишь для уменьшения продолжительности пускового периода установки.

Обычно в детандерных ожижителях одновременно используются и дросселирование, и расширение в детандере. В этом случае (рис.13.24) поток газа, выходящий из компрессора 1, раздваивается: часть его расширяется в детандере 2 и затем поступает в теплообменник 4, где охлаждает другую часть газа, поступающего к редукционному вентилю 3. Собственно сжиженный газ получается путем отделения жидкого компонента двухфазной смеси, выходящей из редукционного вентиля.

11) Назван по имени французского инженера Ж. Клода, предложившего этот метод в 1902 г.

Понятно, что с точки зрения термодинамики детандерный ожижитель является более совершенным и эффективным аппаратом, чем ожижитель Линде, и требует лишь одного рабочего тела, хотя введение детандера несколько усложняет установку и увеличивает ее габаритные размеры.

Эффективность работы детандерных ожижителей в большой мере зависит оттого, насколько велик внутренний относительный КПД собственно детандера. Коэффициент полезного действия современных поршневых детандеров имеет величину 0,65--0,90, как и турбодетандеров 0,85--0,92. Активно-реактивные турбодетандеры, конструкция которых разработана еще в 1938--1939 гг. советским физиком П.Л. Капицей, являются основой для крупных ожижительных установок.

Заключение

В данной курсовой работе подробно рассмотрены обратные циклы тепловых машин. Принцип работы холодильных установок. Вещества, которые используются в качестве хладагента. Принцип работы теплового насоса. Методы сжижения газов. Подробный расчет термодинамического цикла и построение графика в PV-диаграмме и TS-диаграмме.

Литература

В.А. Кирилиллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин "Техническая термодинамика" М.: Издательство МЭИ, 2008 г.

Размещено на Allbest.ru

...