ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Обратные циклы тепловых машин из "Теплотехника " Теплота сама по себе не способна переходить от тел, имеющих низкую температуру, к телам более нагретым, что является отражением второго закона термодинамики. Однако при затратах энергии с помощью различного рода холодильников, кондиционеров и тепловых насосов теплота может отниматься от холодных тел и передаваться телам с более высокой температурой. Для осуществления подобного теплопереноса лишь необходимо организовать некий компенсирующий процесс. Им может стать самопроизвольный переход механической энергии в тепловую или передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Таким образом, помимо прямых циклов, которые реализуются в целях превращения тепловой энергии в механическую, существует целый класс круговых процессов, назначением которых может являться. [c.195] Цикл воздушной холодильной установки. В качестве рабочего тела в холодильной установке может использоваться воздух. В этом случае подвод и отвод теплоты осуществляется - в отличие от цикла Карно - не в изотермных процессах, а в процессах изобарных. [c.196] Нагретый в результате теплообмена с охлаждаемыми предметами (например - продуктами) воздух поступает из холодильной камеры 1 (рис 4.37) в компрессор 2. Вследствие последующего быстрого сжатия в нем температура воздуха поднимается выше температуры окружающей среды и вытесняемый в теплообменник 3 воздух при постоянном давлении отдает теплоту этой среде или охлаждающей жидкости. При этом температура воздуха понижается, оставаясь, однако, в процессе теплообмена всегда выше температуры среды или жидкости. Пройдя через трубки теплообменника, воздух через клапаны попадает в расширительный цилиндр 4 (детандер). Здесь он расширяется, совершая полезную положительную работу. Поскольку процесс расширения протекает относительно быстро, температура рабочего тела понижается и охлажденный подобным образом воздух в конце расширения через клапана вновь попадает в холодильную камеру 1. Здесь при постоянном давлении он отбирает теплоту у охлаждаемых предметов, после чего вновь поступает в компрессор. [c.196] Процесс 12 - адиабатное сжатие рабочего тела от параметров точки 1 (на входе из холодильной камеры в компрессор) до давления и температуры на входе в теплообменник. В нем при постоянном давлении рг газ отдает теплоту (изобара 23), благодаря чему его температура понижается. Охлажденный газ направляется в детандер, где адиабатно расширяется процессом 34. В результате расширяющийся в цилиндре воздух совершает положительную работу (ей соответствует в ур-координатах заштрихованная шющадка), частично компенсирующую затраты энергии на привод компрессора 2. [c.197] Таким образом, холодильный коэффициент воздушной установки определяется по той же формуле, чго и для обратного цикла Карно. Однако эффективность этих двух циклов оказывается различной. [c.198] Так как при одинаковых числителях (см. 4.53 и 4.54) в формуле 4.54 в знаменателе разность меньше, то холодильный коэффициент цикла Карно оказывается соответственно более высоким, чем воздушной холодильной установки. При этом расхождение оказывается тем существеннее, чем большее количество теплоты подводится в изобарном процессе 41. Действительно, в этом случае увеличение расстояния между изоэнтропами адиабатных процессов ( ширины цикла) приводит к росту Ть что равнозначно уменьшению разности температур Тз - Т1 и соответствующему увеличению термического КПД цикла Карно. В результате уменьшается отношение показывающее степень приближения рассматриваемого цикла к циклу Карно. Различие в эффективности цикла воздушной холодильной установки и обратного цикла Карно весьма существенно, и отношение в реальном диапазоне температур, как правило, не превосходит 0,3. [c.199] Помимо невысокой эффективности существенным недостатком воздушных холодильных установок являются и их большие габариты. Это тфедопределило поиск решений, позволявших при увеличении эффективности установки уменьшить ее размеры. Достичь этого возможно в результате приближения к обратному циклу Карно, то есть в случае подвода и отвода теплоты в цикле по изотермам. [c.199] Прежде фреоны были основными хладоагентами, используемыми для заполнения контуров холодильных установок. Однако в настоящее время от фреонов практически повсеместно отказались в связи с тем, что, как полагают многие экологи, входящий в их состав фтор ответственен за уменьшение толщины атмосферного озонового слоя, экранирующего Землю от опасного для живых существ космического излучения. [c.200] Процесс парообразования 41 в теплообменнике-испарителе протекает при постоянных давлении и температуре за счет теплоты, ираемой у охлаждаемых предметов. При этом удельный объем, степень сухости, энтальпия и энтропия рабочего тела возрастают. [c.201] Количество теплоты qг, отбираемой от охлаждаемых. предмето( , определяется в зТ-координатах площадью под процессом 41, Г1о скольку в процессе дросселирования увеличение удельного объема не сопровождается совершением работы, необходимая для привода холодильной установки работа полностью определяется затратами энергии на привод компрессора (- ц- - Ьг). [c.202] Вместо дросселирующего вентиля для понижения температуры можно использовать и расширительный цилиндр. При этом установка работала бы по обратному циклу Карно (12351). Тогда затраты энергии на ее привод определялись бы разностью между затратами на привод компрессора и положительной работой, получаемой при адиабатном расширении рабочего тела в детандере (адиабата 35). Таким образом, затраты энергии на привод установки с дросселирующим вентилем оказываются большими на величину работы, получаемой в результате адиабатного расширения в детандере. Иными словами, в установке с дросселирующим вентилем затраты энергии на привод компрессора не компенсируются частично положительной работой, получаемой при расширении в детандере. Кроме того, в сравнении с обратным циклом Карно в установках с дросселирующим вентилем уменьшается и количество отбираемой у охлаждаемых предметов теплоты (на величину заштрихованной площади 44 55 ), Тем не менее в парокомпрессорных холодильных установках используются не расширительные цилиндры, а дросселирующие вентили. Их применение при незначительном проигрыше в экономичности позволяет существенно упростить конструкцию установки и разрешить проблемы, связанные с регулированием режимов ее работы. [c.202] Использование изотерм для подвода и отвода теплоты позволяет приблизить цикл парокомпрессорной холодильной установки по эффективности к обратному циклу Карно. О существенно большей экономичности парокомпрессорных холодильных установок в сравнении с установками воздушными свидетельствует и тот факт, что отношение холодильных коэффициентов оказывается для них достаточно высоким и достигает 0,85. [c.203] В отличие от рассмотренного на рис.4.40,а идеализированного цикла в реальных парокомпрессорных установках из теплообменника-испарителя холодильной камеры в компрессор поступает не влажный, а сухой или даже несколько перегретый пар (рис. 40,6), что позволяет уменьшить теплообмен между стенками цилиндра и рабочим телом, а также улучшить условия смазки цилиндра. Кроме того, в конденсаторе имеет место некоторое переохлаждение рабочего тела (участок изобары 45 что способствует возрастанию отводимой в цикле теплоты Цг и увеличивает холодильный коэффициент установки. [c.203] В пароэжекторной холодильной установке пары рабочего тела (обычно - воды) при низких давлении и температуре поступают в эжектор, в котором сжимаются до необходимого давления за счег энергии подводимого от котельной установки пара. Использование для сжатия вместо компрессора эжектора объясняется большими значениями удельного объема у сухого насыщенного пара при низких температурах насыщения. Для необходимого повышения давления такого пара потребовался бы чрезмерно громоздкий компрессор. В эжекторе же сжатие реализуется за счет энергии дешевого пара с низкими параметрами. [c.204] Из эжектора пар направляется в конденсатор, где превращается в жидкость. Некоторая часть получаемой жидкости вновь закачивается насосом в контур котельной установки, в то время как остальная жидкость подвергается дросселированию, в результате чего при понижении давления и температуры образуется влажный пар небольшой степени сухости. В теплообменнике-испарителе этот пар подсушивается при постоянной температуре и постоянном давлении, отбирая теплоту у охлаждаемых предметов, а затем вновь поступает в паровой эжектор. [c.204] Поскольку затраты механической энергии на перекачивание жидкой фазы в абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках пренебрежимо малы, ими пренебрегают и эффективность установок оценивается коэффициентом теплоиспользования, представляющим собой отношение отбираемой от охлаждаемых предметов тепло-ты к теплоте, используемой для реализации циклов - = Я2/Чь Сопоставление коэффициента теплоиспользования е с холодильным коэффициентом достаточно сложно. Однако можно констатировать, что пароэжекторные и адсорбционньЕе холодильные установки дают возможность вместо дорогостоящей механической энергии использовать для получения холода относительно дешевую тепловую энергию теплоносителей с невысокими значениями температуры что делает их применение экономически оправданным. [c.204] Вернуться к основной статье