Газовые трансформаторы тепла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

газовый трансформатор тепло

Использование трансформаторов тепла в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, научных исследованиях и в быту непрерывно возрастает.

Известно, что топливно-энергетический баланс страны зависит нетолько от экономичности выработки энергии, но и от технического уровня ее использования. Поскольку трансформаторы тепла всех трех перечисленных групп становятся все большими энергопотребителями, работа по их усовершенствованию играет все более существенную роль в экономии энергетических ресурсов. Авторы постоянно стремились в максимальной степени учитывать эту важную народнохозяйственную задачу.

Трансформаторами тепла (или термотрансформаторами) называются технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме тепла от объектов с относительно низкой температурой к приемникам тепла с более высокой температурой. Такое преобразование, называемое в технике повышением потенциала тепла, не может, как следует из термодинамики, происходить самопроизвольно. Для повышения потенциала тепла необходима затрата внешней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической, кинетической энергии потока газа или пара.

Особенности процессов в газовых трансформаторах тепла

Использование в части цикла конденсированного вещества позволяет сделать установки более компактными благодаря сравнительно малым расходам рабочего тела и высоким коэффициентам теплоотдачи при испарении и конденсации. В случае необходимости обеспечиваются также изотермические условия внешнего подвода и отвода тепла. Кроме того, возможность замены без существенных потерь в ряде случаев расширительной машины -- детандера дроссельным вентилем существенно упрощает установку.

Однако использование циклов с фазовыми переходами имеет и ряд недостатков.

Жестко фиксированное давление обратного потока, определяемое для данного рабочего тела температурой его испарения, а в парожидкостных системах и давление определяемое температурой конденсации.

Ограниченный интервал рабочих температур и давлений, обусловливаемый для каждого рабочего тела либо параметрами критической и тройной точек, либо значением дроссель-эффекта. В некоторых интервалах температур (~50-- 45 К и 14--5,2 К) вообще не существует жидких рабочих тел, а в других их свойства таковы, что они непригодны для технического использования (например, слишком низкие давления пара).

3.Во многих процессах внешнего охлаждения, в частности при ожижении газов, температура охлаждаемого тела непрерывно меняется при отводе тепла. В этом случае испарение хладо- или криоагентов приТ=const нецелесообразно; более выгодно подводить теплоккрио-агенту в условиях, когда его температура также меняется. Тогда потери от необратимости при теплообмене между охлаждаемым веществом и рабочим телом будут наименьшими.

По этим причинам во многих отраслях техники применяют обратные циклы и квазициклы, в которых рабочее тело находится всегда в газообразном состоянии, как правило, при температурах выше критической (в некоторых случаях используются и температуры ниже критической при давлениях существенно более низких, чем критическое). Использование газа позволяет в принципе произвольно выбирать давления, работать в любом интервале температур То--Т₀.с и, наконец, обеспечить отвод тепла от объекта при любом законе изменения его температуры при охлаждении.

Идеальные газовые циклы со стационарными процессами

В идеальном цикле парожидко-стного трансформатора тепла подвод и отвод тепла к рабочему телу производятся при p=corist иТ= =const, так как в области влажного пара однокомпонентного вещества изотермы и изобары совпадают. Только при использовании в качестве рабочего тела неазеотропной смеси ее температура при кипении возрастает, а при конденсации падает.

Для газа изотермический и изобарный процессы также существенно различаются. Поэтому в газовых обратных циклах возможны два вида процессов, в которых производится внешний теплообмен -- как изотермический, так и изобарный. Процессы, не связанные с внешним теплообменом, могут быть либо из-энтропами (нерегенеративные циклы), либо любыми эквидистантными кривыми.

Реальные газовые циклы и квазициклы со стационарными процессами

Реальный газовый цикл (рис.1) имеет ряд существенных особенностей, снижающих его эффективность по сравнению с соответствующим идеальным циклом.При рассмотрении идеального процесса принималось, что температура в равна Г₀._с, а в точке /--Г₀. Фактически необходимы некоторые разности температур (ДГ₀=Г₀--Tiи ДГ_К=Г₃--Г₀._с)> чтобы обеспечить теплопередачу.Это вызывает возрастание внешних потерь от необратимости. Увеличение интервала рабочих температур от Г₀._с--Г₀ до Г₃--Т\ приводит при прочих равных условиях к необходимости выбирать давление конца сжатия рт, большее, чем в идеальном случае, на Др_ш, или снижать давление перед компрессором на Др_п, что приводит к увеличению затраты работы в цикле.

Процессы в компрессоре и детандере в реальном цикле в отличие от идеального протекают необратимо с возрастанием энтропии. Сжатие заканчивается в точке 2 вместо точки 2\как было бы в идеальном случае, и энтропия возрастает на Д5_К. В детандере конечная точка процесса 4'также перемещается вправо до 4и энтропия возрастает на Дяд. Поэтому процессы сжатия и расширения заканчиваются при более высоких температурах. В результате меняются все основные характеристики процесса: работа сжатия L_Kвозрастает, а расширения Ь_думеньшается. Соответственно увеличивается Q_c.cи снижается Q₀.

В реальном газовом цикле с регенерацией, как и в идеальном, можно резко уменьшить для тех же условий отношение давлений p_w/pn. Но можно показать, что в отличие от идеального в реальном цикле введение регенерации позволяет значительно снизить потери от необратимости в компрессоре и детандере и тем самым повысить эффективность процесса.

Рис 1.Реальный газовый цикл без регенирации.

Газовые циклы и установки с нестационарными процессами

Все рассмотренные выше газовые обратные циклы и квазициклы характеризовались стационарным протеканием основных процессо/в. В каждой точке такого цикла все параметры постоянны во времени, и их изменение происходит только при переходе рабочего тела из одной точки в другую. В последнее время разработаны и нашли практическое .применение газовые циклы и квазициклы, основанные лишь на процессах с нестационарными потоками. В установках, созданных на основе таких циклов, параметры рабочего тела меняются не только при переходе от одной точки в другую, но и в каждой точке во времени, возвращаясь в конце каждого машинного цикла в 'исходное состояние.

Изображение таких процессов на диаграммах состояния теми же способами, как стационарных, невозможно; их изображают на диаграммах так же, как и другие процессы периодического вида, например, в цилиндрах детандеров или компрессоров. На диаграмму наносят изменения во времени нужных параметров в течение цикла для одной или нескольких характерных точек. Для установок (рис 2) с нестационарными процессами характерны некоторые важные особенности. Они определяются в значительной степени характером внутреннего регенеративного теплообмена в СПО. В газовом трансформаторе тепла со стационарными потоками R_sтакой теплообмен может проводиться либо в рекуперативном теплообменнике (рис.2,а), либо в переключающихся двух (или большем числе) регенераторах (рис. 2,6). В системах с нестационарными потоками R_n(рис. 2,в) используется один регенератор, по которому прямой mи обратный ппотоки пропускаются поочередно. Для работы рефрижератора любой из этих трех систем необходимо прежде всего сочетание процессов сжатия рабочего тела при Т₀._сс отводом тепла Qo.cв окружающую среду с расширением при Г<Г₀.с и подводом тепла Qo от криостатируемого объекта, В первых двух схемах сжатие и расширение производятся непрерывно и раздельно -- сжатие в (компрессоре (СПТ),а расширение в детандере (СОО).В рефрижераторе с нестационарными потоками, как видно из схемы на (рис.2,6,) сжатие и расширение происходят периодически, поочередно. При этом как сжатие, так и расширение производится во всех ступенях, составляющих общий объем, одновременно. Поэтому в такой системе для сжатия необходимо, чтобы суммарный объем системы уменьшился, а для расширения, чтобы увеличился. Этого можно достигнуть перемещением поршня в теплом VI(СПТ)или холодном VII(СОО)цилиндре или одновременным их перемещением. Наиболее эффективной была бы такая организация процессов, при которой весь газ во время сжатия находился бы в СПТ(теплый цилиндр VI),затем пропускался для охлаждения через регенератор IX,после чего весь расширялся в СОО±СИО (холодном цилиндре VII),пропускался через регенератор при низком давлении, нагревался и возвращался в СПТ.Полностью соблюсти на практике это условие невозможно, так как в каждой фазе процесса нельзя собрать весь газ в одном цилиндре или регенераторе. Часть газа неизбежно должна находиться в свободном объеме регенератора, коммуникациях или другом цилиндре

Рис. 2. Схемы газовых систем R.

Размещено на Allbest.ru