Машины с приводом от теплового двигателя
На первом этапе создания комплексной машины, объединившей в себе электростанцию (прямой термодинамический цикл) и холодильную машину (обратный термодинамический цикл), необходимо ликвидировать систему передачи электроэнергии. Крутящий момент, получаемый на валу турбины, возможно непосредственно передавать на вал компрессора. Такие системы широко известны в
мире как холодильные машины с приводом от теплового двигателя или холодильные машины с тепловым приводом (англ. - heat driving). Система состоит из двух самостоятельных машин, соединенных исключительно валом для передачи крутящего момента от турбины[55] к компрессору. Первичной энергией на привод машины является тепло. Термодинамическая схема любой холодильные машины с приводом от теплового двигателя представлена на рис. 19.3а, и с точки зрения термодинамики в общем виде представляет совместное рассмотрение двух термодинамических циклов со свойственными каждому циклу рабочими веществами (рис. 19.36):
• прямого, в котором производится крутящий момент для привода компрессора;
• обратного, в котором производится холод, а приводной энергией является крутящий момент, передаваемый с вала турбины.
Первые компрессорные холодильные машины были с приводом от теплового двигателя[56]. Если привод компрессора осуществлять от двигателя внутреннего сгорания, то цикл холодильной машины с тепловым приводом будет состоять из термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания (Дизеля или Отто, в зависимости от типа двигателя) и обратного цикла парокомпрессорной холодильной машины.
Первый тепловой насос с приводом от теплового двигателя был предложен Э. Альтенкирхом (Германия) еще в 1918 году. М. Мюллер (Германия) в 1956 году предложил использовать двигатель внутреннего сгорания в качестве привода воздушной холодильной машины. Позже подобных предложений было высказано достаточно много.
Для термодинамического анализа цикл холодильной машины с приводом от теплового двигателя можно описать двумя циклами Карно - рис. 19.36.
Основные предположения, принятые для построения теоретического цикла холодильной машины с тепловым двигателем:
Б) |
А) |
• наличие трех источников тепла с постоянными температурами {Тгор-const; Tcp~const; TXOJl=const);
• работа, произведенная в прямом цикле, потребляется в
Обратном (WnpfiMou^Wобратный)-
Ур. (19.1) для холодильной машины с приводом от теплового двигателя может быть записано как
СОРТ09 = COP^Zoa ■ COP™Zh»U =
_^P-Tcp Тхол (19.2)
Т т - т '
Гор * ср хол
Тепловой баланс холодильной машины с приводом от теплового двигателя записывается как
Йгор + Qxon = Qcp + Qcp (19.3)
Процесс 1-2 процесс 7-8 процесс 3-4 процесс 5-6
Прямой цикл обратный цикл прямой цикл обратный цикл
Или в графическом выражении (рис. 19.36)
Пл.(Ь-2~1~а) + wi.(d-8-7-c) = пл.(Ь-3-4-а) + m.(d-5-6-c). (19.4)
Величина СОР для холодильной машины с приводом от теплового двигателя сохраняет логическую запись
Полезный эффект
СОР
Затраченный эффект
Где полезный эффект - холод, полученный в обратном цикле машины - Qo\ затраченный эффект - тепловая энергия, затраченная на привод в прямом цикле машины - Qr.
Выражение для СОР может иметь также графическую интерпретацию
СОР= т - (d ~ 8-7-с) (19 5)
Пл. (b-2-l-a)
Демонстрация того факта, что рабочие вещества, используемые для реализации прямого и обратного циклов, различные, а взаимозависимость между характеристиками холодильной машины и теплового двигателя выражается только в равенстве потребленной и произведенной работы, соответственно, Т. В.Морозюк и М. Фейдт в 2003 году предложили использовать трехмерную диаграмму T-s-M (рис.19.3в). В трехмерной диаграмме все величины (тепло и работа) описываются объемами при соблюдении балансов, в основе которых лежат три основных закона природы:
• закон сохранения массового расхода рабочего вещества (Ma=const)\
• Первый закон термодинамики (Ah-T-As-const)]
• Второй закон термодинамики (As-const).
В объемной диаграмме T-s-M величины T-const, s=const и Ma-const являются плоскостями, перпендикулярными соответствующим осям координат. При рассмотрении действительного рабочего вещества, пограничные кривые превращаются в поверхности, перпендикулярные плоскости T-s объемной диаграммы T-s-M\ Для упрощения иллюстрации пограничные кривые в объемной диаграмме изображены только в плоскости T-s.
Для проведения эксергетического анализа необходимо шкалу «температура» дублировать шкалой «температурный фактор Карно»
Тепловой баланс для холодильной машины с приводом от теплового двигателя в графическом виде, при использовании диаграммы T-s-M, записывается как
Об.(Ь-2-1-а-Ь'-2'~1 '-а') + o6.(d-8-7-c-d'8'-7'-c') = =об.(Ь-3-4-а-Ъ'-3'-4'-а') + o6.(d-5-6-c-d'-5'-6'-c'),
Тогда термодинамическая эффективность
СОР = °6-<d-8-7-c-d'-8'-7'-c') об. (Ь ~2 — 1 — а — Ь'-2'-Г-а') '