разное

Простейшая одноступенчатая машина

Принципиальная схема компрессорной холодильной машины (теплового насоса), работающей на смеси неазеотропных веществ, не отличается от схемы машины, использующей однокомпонентные рабочие вещества. Подробного рассмотрения заслуживает термодина­мический цикл (рис.17.2).

Из анализа цикла в диаграмме T-s (рис. 17.2а) следует, что при Х~1 низкокипящий компонент может осуществлять идеальный цикл Карно, а при условии замены детандера дросселем - цикл 1-2-3-4. При меньших концентрациях цикл отличается от цикла Карно. По мере приближения к концентрации Х=0 (RH), цикл вновь приближает к циклу Карно. Эти свойства смеси определяют выбор ее концентрации в соответствии с условиями работы машины и вместе с тем термоди­намическую эффективность холодильной машины (теплового насоса), работающей на неазеотропных смесях рабочих веществ.

Во всех элементах машины концентрация рабочего вещества остается постоянной (Xt=const). В процессе кипения в испарителе температура смеси изменяется от Т0тт до То™. Температура Т0тах определяется температурой в объекте охлаждения (или температурой входящего хладоносителя). Т0тт является функцией ро и Xt. Предельным значением То™ может быть температура окружающей среды Тср. В конденсаторе температура TKmm определяется темпера­турой входящего теплоносителя, в пределе - это также температура окружающей среды Тср.

В компрессор всасывается влажный пар с давлением р0, тем­пературой Tq"™* и степенью сухости хі. Компрессор покидает также влажный пар с параметрами рю Ткпшх и х2, причем х2 > xj. Характерной

Таблица 17.1

Концентрация смеси NH3-H20, Xt, кг/кг

Давление кипения для смеси NH3-H20, ро, МПа

Давление конденсации для смеси NH3-H20, Рк> МПа

Предельная температура для смеси NH3-H20,

Rp max og~

1к. Ь

0,71

0,42

1,4

155

0,65

0,35

1,2

153

0,60

0,30

1,0

149

Особенностью термодинамического цикла является возможность при постоянных температурных режимах в конденсаторе и испарителе в широких пределах изменять концентрацию Xt и связанные с ней давления рк и р0. В качестве примера в таблице 17.1 приведены данные для смеси NHrH20 при TKmin=50°C и T0max=l(fC.

К особенностям циклов на неазеотропных смесях следует отнести:

• фазовые переходы при переменных температурах;

• выход из испарителя влажного пара с низкой степенью сухости при малом интервале температур кипения;

• возможность осуществления процессов разделения и смеше­ния компонентов смеси.

Простейшая одноступенчатая машина

Рис. 17.2. Цикл парокомпрессорной машины на неазеотропной смеси рабочих веществ: а) холодильная машина (1к-2к-Зк-4к - цикл Карно для низкокишпцего компонента); б) тепловой насос

Т.

Х'=

=0

Х"=0

ху

Рк

ДРо

Х;

=1

/Х'=1

З/

/ 3v

Ттах

Р І

W ТГ

Tmln

/4'

4«с

ІДх"=1 s

А)

Б)

Эти особенности циклов и являются направлениями в создании множества схемно-цикловых решений.

Необходимо обратить внимание на факт, что одной схеме мо­гут соответствовать несколько циклов. Это обусловлено характерным протеканием процессов фазовых переходов и определяется свойст­вами смеси при различных концентрациях и температурах. Описанное графически демонстрируется в диаграмме состояний T-s как измене­ние характера протекания изобар и изоэнтальп в области влажного пара при Xt—const.

Рассмотрим цикл парокомпрессорного теплового насоса при работе на неазотропной смеси. При одном и том же схемном решении возможны три варианта цикла, связанные с различным протеканием процессов сжатия в компрессоре (рис. 17.26):

• всасывание влажного пара (точки 1,1 *, 1 **);

• всасывание сухого насыщенного пара (точка 1 ***);

• нагнетание влажного пара (точка 2);

• нагнетание сухого насыщенного пара (точка 2*);

• нагнетание перегретого пара (точки 2**, 2***).

Различные сочетания состояний всасывания и нагнетания определяются условиями работы испарителя и являются главными показателями для дальнейшего процесса создания схемы и выбора конструкций компрессора и теплообменных аппаратов.

Проследим процесс создания действительного цикла, исполь­зуя «метод циклов» (рис. 17.3). Основные условия анализа:

• наличие двух источников тепла с переменными температурами Theorist и ТхолфсотГ,

• подвод и отвод тепла от рабочего вещества к источниками осуществляется при переменных температурах Theorist и Theorist;

• наличие тепла смешения компонентов смеси.

Циклы 1 и 2 описывают выбор обратимого цикла-образца и его модификацию (эндо-обратимый цикл) при учете влияния необрати­мостей в процессах подвода-отвода тепла. В качестве обратимого цикла-образца должен быть принят цикл Лоренца.

Коэффициент преобразования цикла Лоренца в обобщенном виде можно представить:

• для холодильной машины

СОРш=------------- 1——, (17.12)

Для теплового насоса

(17.13)

СОР,

ТН

7 гк~1/а-1 ] - а т

Т0-]-1


У» mm rjt nun rjt min

TOC o "1-3" h z ITrf~~ »tY ~~ —

Lt rpmax л rpmax rpmax

'(2-3) ~-(4-1)

Где

А--

LO lK lK


В основе анализа цикла Лоренца лежит влияние теплоемкостей в процессах подвода (4-1) и отвода (2-3) тепла.

Термодинамические доказательства влияния необратимостей в процессах подвода-отвода тепла на эффективность цикла, изложенные для цикла-образца Карно, сохраняют свою актуальность.

Цикл 3 указывает на ограничения при переходе к рассмот­рению реального рабочего вещества (неазеотропной смеси) и анализ последствий замены детандера на дроссельный вентиль. Эти факты свидетельствуют о том, что невозможно даже на теоретическом уровне получить T4-T0mm.

Циклы 4 и 5 описывают переход от теоретического сжатия l-2s-2 " к адиабатному l-2s и далее действительному 1-2.

В ур.(17.8) входит величина тепла смешения qh которая является основной энергетической характеристикой смеси, так как непосредственно связана с величиной энергии межмолекулярного взаимодействия в жидкой фазе. Данные о тепле смешения имеют и практическое значение, поскольку позволяют предвидеть влияние температуры или давления на процесс смешения компонентов, взаимную растворимость жидкостей и т. п. Для значений 0<Xt<l тепло смешения может принимать различные значения qt<0, qt-0, qt>0. Оно

Простейшая одноступенчатая машина

Рис. 17.3. Анализ цикла парокомпрессорной холодильной машины (теплового насоса) на неазеотропной смеси рабочих веществ

Существенно изменяется в зависимости от концентрации и темпе­ратуры по абсолютной величине. Для смеси NH3-H20 всегда qt<0.

Бинарные смеси, состоящие из полярных компонентов (вод­ные растворы, например), отличаются большими значениями тепла смешения qt и его зависимостью от концентрации и температуры. Термодинамические свойства смеси определяют численное значение теплоемкости как большее либо меньшее, чем Xtc'RL+{l-Xt)c'RH.

С учетом сказанного можно констатировать, что степень тер­модинамического совершенства анализируемой холодильной машины (теплового насоса) в значительной степени зависит от величины и знака тепла смешения qt, поскольку оно входит в величины с^ и гш

Гсм - h'^-ft'cM, (17.14)

Здесь

HCM"=(l-Xt)h"RH+X, h"RL, (17.15)

Км'= (1 ~ Xt)h"RH+X, KRL+qt. (17.16)

Очевидно, что более высоким термодинамическим совер­шенством обладают смеси с отрицательным теплом смешения.

У

Соотношение будет выше у смеси с теплом смешения, чем у

Смеси без нее. Приведенный анализ относится к оценке необратимостей в процессах дросселирования и сжатия в компрессоре.

Тепло смешения входит составной частью в величину фазо­вого перехода - ур.(17.14). Отрицательное значение qt уменьшает относительные потери по сравнению с чистым низкокипящим компонентом в том же интервале температур.

Для неазеотропных смесей процесс кипения сопровождается ростом температуры

(ЗіЛ

>0, (17.17)

Р. х,

Дг

Где h* - энтальпия влажного пара

H* = xh"pja + (l-x)h'p. xt. (17.18)

Считая в первом приближении, что является линейной функцией от Г, рассмотрим смесь с несколькими концентрациями. При 0<Xt<l существует условие, при котором Свлп-СП1ПЛлп. Дополни­тельные потери в результате дросселирования будут связаны с повы­шением минимальной температуры кипения АТ0тш в испарителе, поэтому q0 в действительном цикле на смеси уменьшается по сравне­нию с циклом, в котором будет использован только низкокипящий компонент как однокомпонентное рабочее вещество. Переохлаждение жидкости перед дросселем играет существенную роль в повышении термодинамического совершенствования циклов с неазеотропными смесями, причем наиболее эффективно охлаждение проводить частью основного потока кипящего рабочего вещества (смеси).

Действительная величина теплоемкости влажного пара описывается уравнением

Ah" аг

Ch* ЭГ

(17.19)

= X

P, xt

Таким образом, с учетом уравнений (17.14)-(17.19), получаем

(17.20)

= /

C'RH = f(p, X„T);c'ltL = f(p, Xt, T); c"rh = f{P'Xt, T);c"RL-f(p, Xt, T);


Я, = fix,>T)' х

Простейшая одноступенчатая машина

Рис.17.4. Теплоемкость влажного пара для смеси NH3-H20: а) р=0,3 МПа, Х,=0,9 кг/кг; б) р =0,5 МПа, X, =0,2 кг/кг

Цикл 6 (рис.17.3) демонстрирует замену прямолинейных участков в области влажного пара (2 3 и 4-1 в цикле Лоренца) изо­барами, которые для неазеотропных смесей в диаграмме T-s имеют вид сложных кривых, неэквидистантных между собой.

В качестве примера на рис.17.4. приведено изображение нескольких изобар для смеси NH3-H20.

17.2.2. Одноступенчатые регенеративные машины

Необратимые потери в процессе дросселирования уменьшают путем переохлаждения жидкости перед дроссельным вентилем, в большинстве случаев используя регенерацию тепла. Необходимо отметить, что в холодильных машинах (тепловых насоса), исполь­зующих однокомпонентные рабочие вещества или азеотропные смеси, из испарителя отводится перегретый пар. Теплоемкость пара меньше теплоемкости жидкости, следовательно, разница температур перег­рева пара превышает разницу температур переохлаждения жидкости (п.7.2.3). Напомним, что не для всех рабочих веществ регенерация тепла приводит к повышению СОР.

Для неазеотропных смесей в большинстве случаев регенера­ция тепла оказывается необходимой, особенно при отводе влажного пара из испарителя. Теплоемкость влажного пара значительно больше теплоемкости жидкости, поэтому в регенеративном теплообменнике можно переохладить жидкость вплоть до температуры Т0тш.

Необратимые потери в РТО связаны с большим различием массовых теплоемкостей жидкости и влажного пара. Они могут быть уменьшены, если в регенеративный теплообменник подается не весь пар, образовавшийся в испарителе, а только часть. В этом случае мож­но говорить об обратимом процессе регенеративного теплообмена. В любом случае, совершенство процесса регенерации тепла будет зависеть от соотношения полных теплоемкостей массовых расходов потоков жидкости и влажного пара

NT - сж=УГ-сп (17.21)

Величины удельной теплоемкости жидкости сж и насыщенного пара с" могут иметь различные соотношения в зависимости от выбранных температурных режимов работы

Сж > с или сж = сп, или сж < с, или сж « с"

СЖ(Х() = const; спт = /(р, Т,х).

Удельную теплоемкость жидкости сж для большинства неазеотропных смесей при условии Xt-const с достаточной для инже­нерных расчетов точностью можно считать постоянной, не зависящей от давления и температуры.

И

На рис. 17.5 изображены возможные варианты включения РТО в схему парокомпрессорной холодильной машины (теплового насоса), работающей на неазеотропных смесях.

(17.23)

Простейшая одноступенчатая машина

Схема «А» МЖ=М"; сп <с

Схема «Б» МЖ>МГ; сп > с

Схема «В» Мж<Мп; сп > с

Рис.17.5. Возможные схемные решения включения РТО

Эк

Удельная теплоемкость влажного пара сп - величина пере­менная и зависит от давления, температуры и степени сухости пара. Такая сложная функция может быть определена с использованием уравнений для определения теплоемкости неазеотропной смеси жидкости и пара на линии насыщения

Простейшая одноступенчатая машина

(17.22)

И удельной теплоемкости влажного пара

CaJI-=f(c',c",x).

Расчетные удельные теплоемкости жидкости сж и пара с должны быть определены в рассматриваемом диапазоне давлений, температур и концентраций для анализируемого РТО.

Рассмотрим влияние процесса переохлаждения жидкого рабо­чего вещества (неазеотропной смеси) на уменьшение потерь, связан­ных с дросселированием. В заданном интервале температур кипения (Тотп То™1*), который значительно меньше интервала

T'(po>Xt)~ T"(po, Xt), из испарителя выходит влажный пар (точки Blt В2, В3 ) - рис. 17.6. В зависимости от концентрации Xt и интервала (Готш. Тош) степень сухости х выходящего пара изменяется в широких пределах. На рис. 17.6 рассмотрены три случая:

• при постоянных давлениях рк и р0

И гг1 шах

• при ПОСТОЯННОЙ То ;

• при переменных концентрациях Xt j> Xt 2>Xt3.

Из рис. 17.6 видно, что при большой неизотермичности процес­са кипения возникают дополнительные потери при дросселировании, результатом которых является повышение Т0тт, поэтому переох­лаждение жидкости перед дроссельным вентилем имеет существенное преимущество для сокращения последствий необратимости в процессе дросселирования.

Рассмотрим несколько примеров схемно-цикловых решений включения РТО. Процесс В-С осушения влажного пара в РТО соответствует процессу D-E переохлаждения жидкости перед дросселированием. Тепловые балансы РТО представлены уравне­ниями, приведенными к 7 кг рабочего вещества, циркулирующего через испаритель:

• схема «А» (рис. 17.5) hD-hE-hB - hc

• схема «Б» (рис.17.5) (l+a)(hD - hE) ~ a (hB ~ hc)

• схема «В» (рис. 17.5) (l+a)(hD-hE) ~ a(hB-hc) .

Численные примеры расчетов циклов, изображенных на рис. 17.6, для смеси NH3-H20 приведены в таблице 17.2.

Оптимальный вариант, при котором внутренние потери в процессе дросселирования равны нулю, соответствует случаю ТЕ-Т0тт. Анализ данных, приведенных таблицы 17.2, показывает, что такой случай наблюдается при выборе схемы «В» при любой концентрации смеси NH3-H20.

Рассмотрим «метод циклов» для анализируемого случая применения неазеотропных смесей в компрессорных холодильных машинах (тепловых насосах). «Метод циклов» на основе обобщенного цикла Карно (как цикла-образца), описывающего процесс регенерации

Простейшая одноступенчатая машина

При различных концентрациях неазеотропной смеси

Таблица 17.2

Параметр

Схема «А

Схема «Б»

Схема «В»

XtI

Xt2

Хп

Xf 2

Хи

Xt2

Xt3

Концентрация, Xt (кг/кг)

0,9

0,8

0,7

0,9

0,8

0,7

0,9

0,8

0,7

Давление конден­сации, рк (МПа)

1,0

Давление кипения, Ро (МПа)

0,25

Температурный ин­тервал в испарителе, (Т0тіп... Т0тах) (°С)

-10

-7

-2.5 ...0

-10

-7 ...0

-2.5

-12 ...0

-8 ...0

-3 ...0

Температура жид­кости на входе в РТО, ТпСС)

27

33

40

27

33

40

27

33

40

Температура жидкости на выходе из РТО, ТЕ (°С)

0

0

0

-7

-5

+2

-12

-8

-3

Количество отбираемой жид­кости, а (кг/кг)

-

-

-

0,19

0,25

0,37

-

0,17

0,31

Температура пара на выходе из РТО, Тс (°С)

+15

+5

+10

27

33

40

27

33

40

Тепла для машин, использующих однокомпонентные рабочие вещест­ва, был рассмотрен в п.9.8.1. Этот же анализ будет абсолютно кор­ректным для описания процесса регенерации тепла в машинах, использующих азеотропные смеси.

Для описания процесса регенерации тепла для холодильных машин (тепловых насосов), использующих неазеотропные смеси, в качестве цикла-образца должен быть принят обобщенный цикл Лоренца (рис.17.7), в котором адиабаты заменены эквидистантными линиями, подразумевающими описание системы регенерации тепла.

Анализ циклов 1 и 2 традиционен. Цикл 3 описывает процесс регенерации между жидкостью и влажным паром, переходящим в перегретый. Видно, что даже в теоретическом случае Tj не может быть выше Тктт, что требует обязательного адиабатного дожатая паров (процесс 1-2s) до давления, соответствующего Тктах.

Цикл 4 описывает переход к изобарному характеру процессов. подвода-отвода тепла. Цикл 5 - учет необратимостей на «холодном» и «горячем» концах РТО (пл.{а-А-3-Ь)-пл. (с-6-l-d)) и необратимость в процессе 1-2 сжатия в компрессоре. При одновременном изменении температур обоих потоков, участвующих в регенеративном тепло­обмене, при оптимальном выборе типа подключения РТО, необра­тимости могут быть сведены к минимуму.

Таким образом рассмотрены основные необратимости в цик­лах компрессорных холодильных машин (тепловых насосов) с неазеотропными смесями в качестве рабочих веществ. Эти необра­тимости отличаются от аналогичных в циклах с однокомпонентными рабочими веществами (или азеотропными смесями), а доля каждой необратимости должна быть определена исключительно методами термоэкономики при условиях известного качественного состава сме-

Простейшая одноступенчатая машина

Рис.17.7. Анализ цикла регенеративной парокомпрессорной холодильной машины (теплового насоса) на неазеотропной смеси рабочих веществ

Си и температурного режима работы холодильной машины, что даст возможность оценить экономические показатели машины уже на уровне проектного анализа и оптимизации.

17.2.3. Одноступенчатые машины

С разделением влажного пара

Тот факт, что при использовании неазеотропных смесей (осо­бенно с достаточно большим температурным глайдом) из испарителя выходит влажный пар, будет определять новые термодинамические циклы, которые в свою очередь сформируют новые схемные решения компрессорных холодильных машин (тепловых насосов). В циклах появляются дополнительные необратимости (деструкции эксергии), связанные с выходом из испарителя влажного пара с низкой степенью сухости и наличием процессов разделения и смешения компонентов смеси.

В соответствии со схемно-цикловыми решениями, рассмот­ренными в п.17.1.1-17.1.2, компрессор сжимает влажный пар. В реаль­ных машинах этот недостаток может быть устранен путем разделения влажного пара на насыщенный пар и насыщенную жидкость в отделителе жидкости, установленном перед компрессором (рис. 17.8). В этом случае сухой насыщенный пар сжимается в компрессоре, а насыщенная жидкость - в насосе. При этом величина СОР в циклах с отделителем жидкости для холодильной машины (теплового насоса) определяется как

(17.24)

W

Цикла

СОРт (17.25)

W

Цикла

А работа цикла составит

™цикт = WKM + WH{i-X}), (17.26)

Где wkm и wh - соответственно работа компрессора и насоса, отне­сенные к 1кг сжимаемого рабочего вещества; xj ~ степень сухости пара, поступающего в отделитель жидкости.

Термодинамический анализ показал, что работа, затраченная в цикле с отделителем жидкости меньше работы, затраченной в цикле

Простейшая одноступенчатая машина

Рис. 17.8. Компрессорная холодильная машина (тепловой насос) на неазеотропной смеси с разделением влажного пара: а) схема; б) цикл в диаграмме T-s; в) цикл в диаграмме h-X.

Схема машины усложнена присутствием форконденсатора (ФК), однако этот теплообменный аппарат не влияет на анализ процесса разделения влажного пара перед компрессором

Со сжатием влажного пара (wKM = w4UKJia). Главную роль при этом игра­ет степень сухости х и работа насоса wH, существенно меньшая работы компрессора.

Для термодинамического анализа схемно-цикловых решений с разделением влажного пара (без учета РТО) вновь рассмотрим «метод циклов» для неазеотропных смесей.

Простейшая одноступенчатая машина

В качестве цикла-образца выбираем цикл Лоренца. Анализ циклов 1, 2 и 3 соответствует приведенному ранее. Подробное рас­смотрение начнем с цикла 4, в котором появляется новое условие анализа - внутреннее разделение потоков. Влажный пар (точка 1) ме­ханически разделяется на насыщенный пар (точка 1') и насыщенную жидкость (точка / *). Поскольку весь анализ предусматривает, что концентрация рабочего вещества Xt (0<Xt<l), то X<XU X) >Xh что и подразумевает введение в анализ дополнительных левой и правой пограничных кривых. Процесс l"-2s - сжатие пара в компрессоре, процесс 1 -2' - сжатие жидкости в насосе. Точка 2 - результат сме­шения. Мнимый процесс сжатия влажного пара 1-2 первоначально приравнивается к адиабатному. Цикл 5 описывает наличие внутренней необратимости в процессе смешения, ввиду чего появляется точка 2* при условии Т2*>Т2.

Простейшая одноступенчатая машина

Рис. 17.9. Анализ парокомпрессорной холодильной машины (теплового насоса) на неазеотропной смеси с разделением влажного пара

Цикл 6 описывает необратимость в процессе сжатия пара в компрессоре 7-2, ввиду чего точка 2* еще больше смещается вправо, т. е. процесс 7-2* в большей степени отходит от обратимого 7-2 (цикл 4). Одновременно с этим, цикл 6 подразумевает переход к изобарным процесса подвода-отвода тепла.

Таким образом рассмотрены все возможные варианты допол­нительных необратимостей, которые могут иметь место в компрес­сорных холодильных машинах (тепловых насоса), использующих неазеотропные смеси рабочих веществ по сравнению с холодильными машинами (тепловыми насосами), использующими однокомпо - нентные рабочие вещества или азеотропные смеси.

17.2.4. Одноступенчатые машины для производства холода на двух температурных уровнях

Применение неазеотропных смесей (особенно с большим температурным глайдом) в одноступенчатых компрессорных холо­дильных машинах открывает пути к дальнейшему рассмотрению схем и циклов для расширения возможностей применения этого типа рабочих веществ и повышения термоэкономической эффективности холодильных машин, использующих эти рабочие вещества.

Одним из примеров является создание одноступенчатых холодильных машин, способных производить холод на нескольких температурных уровнях.

Одно из таких схемно-цикловых решений в 1975 году было предложено А. Лоренцем и К. Мейтцнером для двухтемпературного домашнего холодильника - рис. 17.10. В дальнейшем схема и цикл этой машины были неоднократно совершенствованы в научной груп-

Рис. 17.10. Компрессорная холодильная машина, производящая холод на двух температурных уровнях: а) схема; б) цикл в диаграмме T-s

Пе под руководством Р. Радемахара (США), где преследовали цель предусмотреть изменения тепловых нагрузок на испарители (что абсолютно непрогнозируемо для домашних холодильников), однако первоначальная идея машины оставалась без изменений.

Рабочее вещество (неазеотропная смесь) после конденсатора последовательно проходит 2 регенеративных теплообменника, в результате чего перед дроссельным вентилем имеет достаточно высокую степень переохлаждения, что подразумевает уменьшение потерь, связанных с дросселированием. Далее, рабочее вещество кипит в И1, благодаря чему осуществляется низкотемпературное охлаждение первого объекта от температуры ТА до температуры Тв. Для уменьшения необратимости в процессе теплопередачи в И2 начало процесса кипения будет соответствовать некоторой темпера­туре в точке 8, которая в общем случае отлична от температуры конца кипения в И1 (точка 7). В этом случае рационально за счет осуществления процесса 7-8 осуществлять вторую ступень регене­рации тепла (процесс 4-5 в РТО-2). Положение точки 9 (выход из И2) зависит от тепловой нагрузки на И2 и температур С и D. Вне зависимости от положения точки 9 целесообразно использовать PTOl на входе в компрессор, что будет гарантировать осуществление процесса сжатия в области перегретого пара.

Простейшая одноступенчатая машина

А)

Т

Xt Щ

2

Хтах

К

■к

4/

1

Т

/ "Г max а

5/

ТА

Тс

^ S

Расчетные данные в сравнении с R-12 (в недавнем прошлом - единственным рабочим веществом, применяемым в домашних холодильниках) показали, что имеют место следующие значения экономии энергии на привод компрессора. Так, например, при исполь­зовании смеси R22/R11 (50/50) экономия составит 20%; R12/R114
(50/50) - 12%; R32/R124 (15/85) - 6%. Абсолютно очевидно, что применение неазеотропных смесей с малым температурным глайдом не дало существенных положительных результатов по сравнению с чистым рабочим веществом.

17.2.5. Одноступенчатые машины для производства

Тепла и холода на двух температурных уровнях каждого

Рассмотрим теплофикационные машины, способные произво­дить четыре энергетических эффекта одновременно, т. е. тепло и холод на двух температурных уровнях каждый.

Необходимость в таких комбинированных условиях произ­водства тепла и холода существует на многих промышленных пред­приятиях, предприятиях по переработке сочной растительной про­дукции, для создания систем тепло-хладоснабжения (в системах кондиционирования воздуха) и т. д. Например:

• кондиционирование воздуха (5...10°С) и получение теплой воды для бытовых нужд (45...50°С);

• замораживание (-40...-30°С) и охлаждение (-Ю...0°С) продуктов, а также производство горячей (70...80°С) и теплой (45...50°С) воды для отопления и/или технологических нужд;

• низкотемпературное производство (-25...-10°С) высококон­центрированных растворов и получение теплой воды (50...80°С) для технологических нужд;

• ледянок каток (-12...-7°С), кондиционирование воздуха (5...10°С), получение теплой воды для бытовых нужд (45...50°С).

Для обеспечения подобных сочетаний обычно используют по две теплофикационные машины, однако имеется возможность созда­ния одной машины, работающей на неазеотропной смеси рабочих веществ. При одной и той же схеме возможно реализовывать различ­ные температурные режимы эксплуатации, что обеспечивается качест­венным и количественным подбором смеси. Естественно, что это отразится на термоэкономических характеристиках машины в целом.

На примере одного схемного-циклового решения (рис. 17.11) рассмотрим возможности применения неазеотропных смесей из рабо­чих веществ HFC - и HCFC-типа. Дополнительная особенность маши­ны состоит в использовании винтового компрессора с дозарядкой.

Простейшая одноступенчатая машина

А)

Рис. 17.11. Теплофикационная машина, использующая неазотропные смеси рабочих веществ с целью производства тепла и холода на двух температурных уровнях каждого:

А) схема; б) цикл 1; в) цикл 2

Машина работает следующим образом. Сжатый в компрессоре пар (точка 2) поступает в теплообменник-дефлегматор, где преиму­щественно конденсируется высококипящий компонент смеси (RH). Полученная парожидкостная смесь (точка 3) разделяется в сепараторе (С) в соответствии с условиями равновесия: точка 4 - пар, точка 5 ~ жидкость. Пар поступает в конденсатор, где превращается в жидкость (точка 6). Таким образом в машине образуются два потока жидкости одного давления, но разных концентраций. Потоки дросселируются до разных давлений и направляются каждый в свой испаритель, где кипят, производя холод на различных температурных уровнях. После испарителей потоки сухого насыщенного пара (точка 8 и точка 10) поступают в компрессор.

Принципиальная схема машины может иметь два варианта ис­полнения. Каждый испаритель может работать как при низком давле­нии ро, так и при промежуточном рпр, поэтому процесс всасывания и дозарядки в компрессор будут осуществляться по следующим циклам: Цикл 1: И1 (рпр) - вентиль В1 закрыт; В2 - открыт;

И2 (р0) - вентиль В4 закрыт; ВЗ - открыт; Цикл 2: И1 (ро) ~ вентиль В1 закрыт; В1 - открыт;

И2 (рпр) - вентиль ВЗ закрыт; В4 - открыт.

Рассмотрим циклы для каждого варианта схемы - рис. 17.116,в. В результате разделения влажного пара в состоянии, соответст­вующем точке 3, жидкость будет иметь равновесную концентрацию Xj < Xh пар - Х2 > Х(. В диаграмме состояний h-X дальнейшие процессы дросселирования и кипения изображены на линиях Х} и Х2. При сопоставлении циклов видны различия в температурных режимах и характер протекающих процессов при смешении в компрессоре.

В теплообменнике (ТО) и конденсаторе температурные режи­мы для смеси определяются условиями потребителя. Теплообменник - самый высокотемпературный теплообменный аппарат в машине. В указанных процессах конденсации неизотермичность будет опреде­ляться свойствами смеси, и для уменьшения необратимостей она должна соответствовать неизотермичности высокотемпературных источников тепла. Температурный интервал в испарителях (неизотер­мичность процесса кипения), также зависит от свойств смеси и степени неизотермичности низкотемпературных источников тепла. Таким образом, расчет циклов необходимо начать с рассмотрения входящих параметров:

• рабочих температур четырех источников тепла;

• холодо - или теплопроизводительности машины, т. е. полезного продукта.

Давления рк, рпр и р0 выбирают с учетом конструктивно - эксплуатационные свойств смеси как рабочего вещества (п.6.1.6).

Количество дозаряжаемого в компрессор рабочего вещества а или соотношение массовых расходов через испарители, отнесенное к 1 кг смеси, циркулирующей через испаритель с давлением р0, опреде­ляют как

І

Ґр Л

Пр

1-1. (17.27)

Ро


Удельные характеристики цикла определяют из уравнений: теплового баланса испарителя 1

Яо (рО) - hio ~ h9 Чо (рпр) = a Qijo - h9)

Теплового баланса испарителя 2

Qo (рО) = h8-h7 qo(pnp) = a(h - hi)

Теплового баланса теплообменника

(17.28а) (17.286)

(17.29a) (17.29a)

(17.30)

Qro = (/ + «) (h2 - h3) теплового баланса конденсатора

(17.31a) (17.316)

QK(pK)- Ы - he qK(pnp)= a (h4 - h6)

Работы компрессора

(17.32)

Температурный режим и режим давлений является основой для выбора состава смеси. При проведении проектного анализа и оптимизации здесь имеется большое поле выбора, и ограничения могут быть введены самим проектировщиком, в зависимости от конк­ретных практических условий, в том числе стоимости компонентов смеси, качества и стоимости конструкционных материалов для тепло - обменных аппаратов, смазки компрессора и т. д.

Для подтверждения теоретических положений, рассмотрим примеры расчетов циклов различных тепловых насосов на нескольких неазеотропных смесях, проведенные на кафедре холодильных машин ОГАХ. Данные для расчетов:

• стабильный низкотемпературный источник тепла - проточная вода с температурой 20°С;

• периодический низкотемпературный источник тепла - сточные воды с температурой 40°С;

• неизотермичность источников тепла 4...6 град.

K-1

Простейшая одноступенчатая машина

Целью работы теплового насоса является производство теплой и горячей воды в интервале 50...100°С. При расчетах были использованы только те смеси, которые полностью соответствовали конструктивно-эксплуатационным требованиям (п.6.1.6). Для рассмот­ренных температурных условий можно рекомендовать смеси (ка­чественный и количественный состав), приведенные в таблице 17.3.

Таблица 17.3

TOC o "1-3" h z X к

*

° ® Л ~

*§ Ь Э-3

D, (D g Q>

5 I g В

A> л ас

1,06 0,722 1,32 1,66 1,09 1,76

А §

R-22/R-142b

(25/75) R-123/R-142b

(10/90) R-123/R-134a

(10/90) R-22/R-142b

(25/75) R-123/R-142b

С

И

О "—'

T?

60 60 60 80 80 105

О

0,409 0,256 0,495 0,39 0,234 0,20

(15/85) R-123/R-142b (20/80)

* Я 5 s « й З

I 5 Й S

Н Ь ^ я

Ь й 2 S

З Й & ж 5 о о ж я «

5.4

4.5 5,8

5.6 5,8 5,85

Еґ П

2 «в о 5

& Е 8 я 8 ^ Э а

£ F 8-і

Я £ с * и о

Ас к

5,02 5,1 6 4,81 4,9 4,6

17.2.6. Двухступенчатые машины

Применение неазеотропных смесей рабочих веществ в двух­ступенчатых холодильных (теплофикационных) машинах и тепловых насосах представляет новое направление. Причины применения двухступенчатых машин заключаются в необходимости производить тепло и холод на нескольких температурных уровнях либо одновременно получать теплоту и холод при большой разности температур. Многообразие схемно-цикловых решений двухступен­чатых машин, использующих неазеотропные смеси, определяется двумя принципами:

• степенью промежуточного охлаждения пара между ступенями сжатия;

• степенью переохлаждения жидкости перед дросселированием. Полное или неполное промежуточное охлаждение пара

Осуществляется кипящей жидкостью промежуточного давления и/или внешней охлаждающей средой. Переохлаждение жидкости высокого давления происходит путем теплообмена с кипящей жидкостью промежуточного давления или с холодным паром, всасываемым в
компрессор низкой ступени. В циклах двухступенчатых тепловых насосов промежуточное охлаждение пара является нецелесообразным. В каждом конкретном случае необходимость и возможность промежу­точного охлаждения должна быть доказана термоэкономическим анализом.

На рис. 17.12 представлено схемно-цикловое решение двухсту­пенчатой теплофикационной машины для одновременного произ­водства тепла (на двух температурных уровнях) и холода. К отличи­тельным особенностям этого схемного решения по отношению к существующим схемам двухступенчатых машин на R-717 (глава 12), следует отнести:

• промежуточное охлаждение пара теплоносителем;

• наличие фор-конденсатора, экономайзера и отделителя жидкости;

• наличие элементов абсорбционных машин - резорбера и насоса раствора (смеси, находящейся в жидкой фазе).

Промежуточный теплоноситель параллельно или последова­тельно проходит через три аппарата: промежуточный охладитель (ПО); фор-конденсатор (ФК) и резорбер (Р).

Рассмотрим последовательно процессы, происходящие в теплофикационной машине. Сухой пар (точка 7) сжимается в компрессоре низкой степени. Перегретый пар (точка 2) охлаждается (точка 3) и далее сжимается в компрессоре верхней ступени (точка 4),

Простейшая одноступенчатая машина

Рис. 17.12. Двухступенчатая теплофикационная машина на неизеотропной смеси: а) схема; б) цикл в диаграмме T-s

В фор-конденсагоре пар охлаждается (точка 5). Далее в резорбер поступают два потока: пар (точка 5) и жидкость (точка 72), сжатая в насосе. В результате абсорбции с отводом тепла образуется жидкость рабочего вещества (точка б). В экономайзере вся жидкость после резорбера переохлаждается (точка 7). После экономайзера поток жид­кости разделяется: основной поток поступает в испаритель; вспомога­тельный - в экономайзер. В обоих потоках состояние жидкости после дросселирования характеризуется точкой 8. Процесс в испарителе ограничен точкой 9, процесс в экономайзере - точкой 10. Влажный пар, полученный в обоих аппаратах, поступает в отделитель жид­кости, где разделяется на насыщенный пар (точка 7) и насыщенную жидкость (точка 77). Из описания работы машины следует, что смесь при промежуточном давлении находится только в промежуточном охладителе между компрессорами.

(17.33)

(17.34)

Тепловые балансы аппаратов, материальные и энергетические балансы процессов разделения и смешения представлены уравне­ниями, приведенными к 1 кг циркулирующего рабочего вещества через испаритель: • для экономайзера

(7+я) (h6 - h7) = а (h}0 - h8);

Для смешения пара в отделителе жидкости a xjqXJO" + х9Х9" = (a XJO + х9) Х\

Для смешения жидкости в отделителе жидкости

(7-х9)Х9. + а (1 - х10)Х10' = [(7-х9)+а (7~^)]Х/7;(17.35)

• для смешения в резорбере

(ах10 + х9)Х} +[(7-х9) + а (1-хю)]Хп = (7 + a)Xt. (17.36)

Простейшая одноступенчатая машина

K-1

K-1

Простейшая одноступенчатая машина

Ро)

Параметры и характеристики в процессах адиабатного сжатия определяют из уравнений

(17.37)

(17.38а)

RT,

K-1

1 , (17.386)

"л =*и(Рк~Ро)' (17-4°)

Выбор промежуточного давления является функцией оптими­зации в соответствии с поставленной задачей.

Схемно-цикловое решение, представленное на рис.17.12, было подвергнуто анализу и оптимизации при работе в интервале концентрацийXt=0,75 ... 0,9. Для сравнения выполнен расчет машины на R-717 (Xt—). Методика расчета является обычной для двухсту­пенчатых холодильных машин (п. 12.10). Исходные данные: режим работы - холодильная машина; Qo=50kBt; Tomin=-30°С; Т0тах= -10°С 'Тктіп= 65° С.

Узловые точки цикла: Т6 - температура выхода раствора из конденсатора, TKmm - 65°С; Т7 - температура раствора перед ДВ (на линии к испарителю)

Т7 = T0min+3 °= -30+3=-27°С; Т9 - температура пара на выходе из испарителя, Т0тах - -10°С; Тз = Тср, в рассматриваемом режиме Т3 = 65°С;

Рпр - промежуточное давление. Для расчетов осуществлялась вариация около значения рпр = yjpKp0 (энергетическая задача оптимизации).

Расчетные величины составили: рпр= (3;4;5;6;7)бар - для Х,=0,75 ... 0,9 ир„р= (4;5;6;7)бар - для Xt=l.

Результаты оптимизационных расчетов, обусловленных выбо­ром промежуточного давления и концентраций, представлены на рис. 17.13. Максимальные значения СОР наблюдаются при использо­вании в машине смеси NH3-H20 с концентрацией Xt=0,9. При этом СОРтах соответствует рпр=6 бар.

Характер поверхности решений ENe обратно пропорционален СОР, следовательно, наименьшие эксплуатационные затраты будут соответствовать машинам, использующим смесь NH3-H2O с концент­рацией Xt-0,9.

Рк

У Рпр у

Минимальные размеры компрессоров {ЈVh—miri) могут быть получены для машины, работающей на R717, что связано с меньшими, по сравнению со смесью NH3-H2O, значениями удельного объема вса­сываемого пара. Особо это ощущается для компрессора низкой ступе-

Простейшая одноступенчатая машина

Простейшая одноступенчатая машина

Концентра - з ция раствора

Промежуточное давление

А)

В)

Б)

Г)

Рис. 17.13. Различные задачи оптимизации как функции от промежуточного давления: а) СОР=Дрпр;Х1) б) энергетическая задача; в) транспортная задача; г) задача унификации компрессорного оборудования

СОР

Xt=0,9

V7

Xt=i

4

Б

Kx7

Xt-0,75

M

2.6 2,4 2,2 2,0 1,8

0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11

А)

Б)

COP

6*

Xt=0.9

-7

Xt=l

4

Xt=0.75

6 7

, Э

Шс

2,6 2,4 2,2 2,0 1,8

26

28

30

32

34

36

Рис.17.14.

Термоэкономическая оптимизация:

А) капитальные зат­раты на компрессор­ное оборудование (Vh, м3/с);

Б) эксплуатационные затраты (Ne, кВт)

Ни. Это доказывается «взлетом» поверхности решений при продвиже­нии к рпр-Збар и концентрации А>=0,75. С точки зрения термоэконо­мики функция ZVh представляет капитальные затраты на компрес­сорное оборудование.

Множество решений функции VhmcN^c представляет восходящую поверхность, что полностью подтверждает классические представления о рассматриваемой зависимости (п. 11.3), однако идеальный случай решения задачи унификации, соответствующий

Т j КНС л / КВС ■*

Vh /Vh =1, при сочетание конкретного схемного решения и режима работы достичь не удастся.

В качестве переменной для проведения термоэкономической оптимизации выбрана концентрация смеси Х,=0,75; 0,9; 1 (случай Х,=0,8 оказался очень близким к Х,=0,75, поэтому не рассматривался) и промежуточное давление. Для оптимизационных расчетов компрессоры были приняты поршневыми. Результаты расчетов в графическом виде представлены на рис. 17.14.

Капитальные затраты рассмотрим в виде функции СОР-Л IVk). Аналогично эксплуатационным затратам, существуют минимальные значения XVсовпадающие с СОРтах: при Х,=0,75 2УГп= 0,011м3/с; приXt~ XVhmin^ 0,066 м3/с. В случаеX,=0,9 2У7ГИ= 0,077м3/с, однако при нем IVhmm не соответствует СОР/пах. Таким образом, с точки зрения зависимости «СОР-2УЛ» оптимальными характеристиками обладает машина, использующая чистое рабочее вещество, т. е. R-717.

Анализ эксплуатационные затрат COP~f{Ne) показывает, что существуют минимальные значения Ne, меньше которых величина эксплуатационных затраты быть не может, например, при X(-0J5 - Nemin= 34,9кВт; при X, =0,9 - Nemitt= 25,8кВт; при Xt=l - Nemin= 29,8 кВт. Кроме того видно, что величины Nemin соответствуют величинам СОР"™ только при работе с одной концентрацией Xt смеси. Таким образом, с точки зрения функции «СОР-INe» оптимальными характе­ристиками обладает двухступенчатая машина на смеси NH3-H20 с концентрацией Х,=0,9.

На основании термоэкономического анализа можно сделать вывод, что согласованный оптимум также следует ожидать при использовании смеси NH3-H20 с концентрациями, близкими к Xt=0,9.

На рис.17.15 представлено схемно-цикловое решение теплофи­кационной машины. Отличительными особенностями этого схемного решения являются:

Простейшая одноступенчатая машина

Рис.17.15. Двухступенчатая теплофикационная машина на неизеотропной смеси, использующая винтовой компрессор с «дозарядкой»: а) схема; б) цикл в диаграмме T-s

• нагрев пара низкого давления и пара промежуточного давле­ния в РТО посредством конденсирующейся жидкости высокого давления;

• наличие экономайзера;

• использование винтового компрессора со впрыском. Компрессор всасывает сухой пар (точка 1). В конце процесса

Всасывания в компрессор производится дозарядка пара (точка 8), в результате чего образуется пар в состоянии, соответствующем точке 11. Конец процесса сжатия - перегретый пар (точка 2). В фор-конден - саторе происходит охлаждение пара (точка а в конденсаторе - частичная конденсация до состояния в точке 3. Дальнейший процесс конденсации проходит в трехпоточном РТО путем одновременного теплообмена с двумя потоками: насыщенным паром низкого давления после испарителя и насыщенным паром после экономайзера. Конец процесса конденсации - точка 4. Переохлаждение жидкости происхо­дит в экономайзере путем теплообмена с кипящей жидкостью промежуточного давления, отобранной после экономайзера.

Состояние жидкости перед дроссельным вентилем - точка 5. Процесс в испарителе ограничен точкой 9, процесс в экономайзере - точкой 10. Специфика формирования схемы и цикла определяется условиями сжатия сухого пара либо пара с начальной степенью сухости не ниже 0,95. Из анализа цикла видно, что температура
окружающей среды не оказывает влияния на процессы в цикле, а T'(pK, Xt) полностью зависит от внутренних параметров цикла.

Выбор рабочих температур в теплообменных аппаратах маши­ны производится по температурам Т2 и Т9, концентрации Xt и давле­ниям рк и ро• В цикле нет внутреннего разделения потоков на пар и жидкость, поэтому все процессы осуществляются при постоянной концентрации Xt. Промежуточное давление рпр в цикле определяют при совместном решении уравнений: • теплового баланса экономайзера

(1 + a) (h4 - h5) = a (h7 - h6) (17.41)

Количества дозаряжаемого рабочего вещества і

А •

F» XI

-1; (17.42)

Ро ;

Процесса смешения потоков в компрессоре

(7+д) (hu-Рпр vn) = (hi - Ро vi) + ah8, (17.43) где vu - f(hn)

• теплового баланса регенеративного теплообменника

(1 + a) (h3 - h4) = (hj ~ h10) + a (h8 - h7). (17.44)

Связь между температурами потоков на концах тепло - обменных аппаратов выражается следующими уравнениями:

Т^Ті + АТ^Т'^щ + АТ

Т4 = Т'(рКЛ) ~Т7 + AT = Тю + AT

Т2 >T"(pKxt)-

Температуру в конце процесса сжатия в компрессоре, а также величину работу при осуществлении сложного процесса сжатия с фазовым переходом определяют, используя ур.(17.37), (17.38а) и (17.40), с использованием в них соответствующих параметров цикла.

Для иллюстрации возможностей использования смеси NH3- Н20 в качестве рабочего вещества (неазеотропной смеси) рассматри­ваемых двухступенчатых машин, проанализируем только значения СОР циклов. Целью расчетов не является сопоставление схемно - цикловых решений, изображенных на рис.17.12 и 17.15 между собой. Полученные расчетные данные формируют инженерный подход к выбору схемы и показывают, что подобные машины имеют высокую

Термодинамическую эффективность только в циклах с одновре­менным получением тепла и холода.

Таблица 7.5

Характеристики, единицы измерения

Схемно-цикловое решение на рис. 17.12

Схемно-цикловое решение на рис. 17.15

Интервал температур

-16...+15

-15...+20

Кипения (°С)

Интервал температур

+50...+75

+75...+120

Конденсации (°С)

Интервал температур в

+60...+130

-

Промежуточном охладителе (°С)

Интервал температур в

+80...+160

+120...+150

Фор-конденсаторе (°С)

Концентрация смеси (кг/кг)

0,70

0,80

Давление (МПа)

Кипения

0,14

0,15

Промежуточное

0,45

0,20

Конденсации

1,40

0,92

Степень сухости пара (кг/кг)

На выходе из экономайзера

0,675

-

На выходе из испарителя

0,473

-

Часть потока, направляемая в

0,334

0,247

Экономайзер (кг/кг)

Удельная массовая холодо­

813

1039

Производительность (кДж/кг)*

Удельная тепловая

Производительность (кДж/кг)

Конденсатора

859

877

Фор-конденсатора

140

151

Промежуточного охладителя

105

-

Удельная работа сжатия в

Компрессоре (кДж/кг)

Нижней ступени

140

-

Верхней ступени

148

302

СОР в режиме

2,82

3,44

Холодильная машина

СОР в режиме

3,83

3,40

Тепловой насос

Примечание: показатели приведены к 1 кг рабочего вещества, циркулирующего через испаритель.

17.3. Машины на несмесимых компонентах

Рациональность применения машин на несмесимых компо­нентах проявляется в создании теплофикационных машин, способных производить четыре энергетических эффекта, т. е. тепло и холод на двух температурных уровнях каждый.

Эта задача в п. 17.2.5 была решена при использовании раство­римых неазеотропных смесей, теперь рассмотрим альтернативное решение этой задачи при работе теплофикационной машины на смеси из несмесимых компонентов. В последнее время именно этим смесям уделяется большое внимание.

Два взаимно нерастворимых компонента образуют рабочую смесь. Как и ранее RH - компонент, имеющий высокую нормальную температуру кипения, RL - компонент, имеющий низкую нормальную ' температуру кипения. Для анализа термодинамического цикла и син­теза схемы весьма наглядно использовать диаграммы состояний T-s для чистых компонентов смеси, совмещенных в единой системе координат (рис. 17.16).

Компонент RH осуществляет цикл 12-3-4-9-1 в интервале температур [T0,RHy TKrH]. Компонент RL осуществляет цикл 1-2-10-5-

6- 7-1 в интервале температур [T0RL; TKRLJ. Компоненты сжимаются в компрессоре в виде смеси (процесс 1-2). Смесь образуется в процессе

7- 9-7 и разделяется в процессе 2-3-10 при конденсации компонента RH. На диаграмме эти процессы изображены условно.

Простейшая одноступенчатая машина

Т смесь смесь

Рис. 17.16. Цикл теплофикационной машины в диаграмме T-s

Простейшая одноступенчатая машина

TO(RL)

Рис. 17.17. Обобщенная схема теплофикационной машины

Таблица 17.5

RH і RL -->

Линия 1

Линия 2

Линия 3

Линия 1

Po, rh — Po, rl Pi = Po, rh ~ Po. rl

Pi = Po, rl Pom < Po, rl

Pi - Pom Pom > Po. rl

Линия 2

Pi — Pom Pom > Рож

P/Pi <10 Pom ~ Po, rl Pom * Po. rl Po, rl < Pi Pom < Pi

Pi <0,4 МПа Pom > Po, rl Pi < Pom

Линия 3

Pi - Pom Pom < Po. rl

Pj <0,4 МПа Pom < Po. rl Pi < Po. rl

Pj <0,4 МПа Pom ~ Po. rl Pom **Po, rl Pi < Pom Pi < Po. rl

Таким образом, на основании цикла, схема машины должна состоять из следующих элементов: конденсатора-сепаратора (КД-С); конденсатора (КД); испарителя высококипящего компонента (И-RH); испарителя низкокипящего компонента (И-RL); компрессора (КМ); газового ресивера (ГР); дроссельного вентиля (ДВ).

Простейшая одноступенчатая машина

Рис.17.18. Схема - эквивалент процесса разделения

Компоненты смеси будут конденсироваться при собственных давлениях насыщения Ркт^АТкт) и Pk, rl=ATk, ri)* причем

Pkri>Pkrh. Отсюда следует, что максимальное рабочее давление в машине Pk, rl, оно же является давлением смеси на выходе из компрессора р2. На основании законов смеси газов

Р2 = PKRL = PKRH + р KRL = р KRH + P K. RL, (17.45)

Где ' - индекс, обозначающий парциальное давление компонентов смеси.

В каждом испарителе устанавливается собственное рабочее давление насыщения Po. rh-ATo. rh) и Po, rl~K^o, ri)- После смешения общее давление на входе в компрессор pi составит

Pi = р о, rh + р o. rl > (17.46)

При любых сочетаниях рабочих давлений в испарителях

Р 'o, rh > PO, rh ИЛИ р o, rh < Po. rh > р otrl > PO. rl ИЛИ р o, rl <PO, rl > PO, rh > PO. rl ИЛИ PO. rh <Po, rl •

Ограничениями при выборе давления р2 является соблюдение конструктивно-эксплуатационных требований.

Повышение величины СОР машины достигается введением процесса регенерации тепла. На основании вышеизложенного, можно синтезировать обобщенную схему теплофикационной машины, рабо­тающей на смеси взаимно нерастворимых компонентов (рис.17.17). Выбор «линии» для каждого компонента между теплообменником и газовым ресивером производится на основании данных таблицы 17.5.

Смесь из компрессора при параметрах Qw,?^) направляется в конденсатор-сепаратор, где компонент RH охлаждается и конден­сируется до состояния (p'k, rh, Tk, rhX а компонент RL охлаждается до Ткдн при собственном изменяющемся давлении p'k, rl ••• р2- Далее компонент RL поступает в конденсатор и там при параметрах (РбъиьТ'кдд конденсируется. Образовавшиеся два самостоятельных потока чистых компонентов осуществляют самостоятельные циклы, присущие чистым рабочим веществам и после испарителей через одну из линий «линия 1», «линия 2» или «линия 3», выбранную в соответствии с давлениями ph Po, rh> Po. rl поступают в газовый ресивер, где смешиваются, после чего всасываются компрессором. Цикл замыкается. Расчеты термодинамических параметров смеси и соответствующих характеристик циклов являются достаточно слож­ными и трудоемкими, в связи с чем была предложена методика расчета, основанная на замене процессов со смесями эквивалентными процессами с чистыми компонентами. Обязательным условием при этом является идентичность начальных и конечных параметров. Эквивалентными процессами заменены:

• разделение газовой смеси путем конденсации компонента RH;

• сжатие смеси в компрессоре.

На рис. 17.18 представлена схема-эквивалент процесса разделения газовой смеси в конденсаторе-сепараторе. Компоненты через полу­проницаемый фильтр (ППФ) разделяются. Поток RH охлаждается, конденсируется и конденсат сжимается насосом.

Поток RL охлаждается в теплообменнике (ТО) и сжимается в изотермическом компрессоре (ИКМ) с отводом тепла, эквивалентного работе компрессора.

Удельное тепло, отводимое в конденсаторе-сепараторе опреде­ляется из выражения

Якд-с = Яш + 4RL = У [(h2RH-М + УГ(р2-р'клн) +

+ [(h2RL - hw) + Rrl Тю (In p2-lnp 'KRL)l (17.47)

Где у - кратность циркуляции компонента RH, отнесенная к 1 кг циркулирующего компонента RL.

Параметры смеси определяют в соответствии с температурами смешения газовых потоков. Процесс сжатия в компрессоре представлен как раздельные адиабатные процессы сжатия чистых компонентов в интервале давлений ро, ш pkrh] для RH и [р q. ru р k, rl] Для RL с последующим смешением. Работу сжатия определяют из уравнений для адиабатного процесса, а суммарная работа цикла будет равна

Мцикла = У WRH + WRL • (17.48)

Характеристики остальных процессов рассчитывают по мето­дикам для чистых компонентов.

Коэффициенты преобразования циклов СОР для много­температурных теплофикационных машин рационально определять путем приведения полезных эффектов к одному температурному уровню через температурные факторы Карно. Таким образом понятно, что эксергетический анализ обладает большей наглядностью и универсальностью для рассматриваемых машин, чем энергетический.

В качестве примеры рассмотрены смеси R-717+R-123, R - 717+R-124, R-717+RC-318, которые в настоящее время представляют наибольший интерес для специалистов. Известно, что R717 имеет высокую степень термодинамического совершенства как однокомпо - нентное рабочее вещество. Добавление к нему рабочих веществ HFC - и HCFC-типа позволяет работать при умеренных рабочих давлениях при высоких температурах производимого тепла и обеспечивать надежную циркуляцию масла в машинах, благодаря растворимости этих рабочих веществ с маслом. Температурный режим, выбранный для расчета, основан на реальных условиях технологических процессов. Предварительный анализ основных параметров рабочих веществ в термодинамическом цикле позволил синтезировать схемы для различных смесей. Схемные решения получены путем селекции элементов из обобщенной схемы (рис.17.17):

• смесь R717+R123

3rl —> 5 —>6 —>7 линия 1

^ 1

Зян—>11—>4—>12—>9—>линия 2 (13) ^

• смесь R717+R124

3rl —>5—>6—>7—> линия 1

1-а* ^ /

У?

3RH ->11—>4->12—> 9 -> линия 1

• смесь R717+RC318

3RL —>5~>6—>7i —>линия 1 . v

T->2 1 1

Зкц—>11—>4—>12—>9—>линия 2 (13) ^

Процессы, происходящие с рабочими веществами в рассмат­риваемых схемах, изображены в диаграммах состояний lgp-h (рис. 17.19 - 17.21). Диаграммы необходимы для наглядной оценки цикла даже при проведении компьютерных расчетов. Результаты расчетов представлены в таблице 17.6. Численный анализ призван проиллюстрировать результаты синтеза схем многотемпературных машин с взаимно нерастворимыми компонентами.

Таким образом видно, что для расчета схем со смесями из взаимно нерастворимых компонентов не требуется использовать сложный математический аппарат расчета свойств смеси. Приве­денная методика может быть использована как дополнение к уже имеющимся пакетам прикладных программ по расчету циклов на чистых рабочих веществах.

Простейшая одноступенчатая машина

Простейшая одноступенчатая машина

Рис.17.20. Смесь R-717+R-124

Простейшая одноступенчатая машина

Таблица 17.6

Характеристики цикла

R717 + R123

R717 + R124

R717+ RC318

Температура конденсации компонента RH (°С)

85

85

85

Температура конденсации компонента RL (°С)

45

45

45

Температура кипения компонента RH (°С)

10

10

10

Температура кипения компонента RL (°С)

-15

-17

-15

Давление конденсации компонента RH (МПа)

0,55

1,6

1,6

Давление конденсации компонента RL (МПа)

1,8

1,8

1,8

Давление кипения компонента RH (МПа)

0,05

0,23

0,19

Давление кипения компонента RL (МПа)

0,25

0,23

0,25

Общее давление на выходе из компрессора, (МПа)

1,8

1,8

1,8

Общее давление на входе в компрессор (МПа)

0,25

0,23

0,25

Парциальное давление компонента RH Ркт/Рош( МПа)

0,55/ 0,076

1,6/ 0,204

1,6/ 0,22

Парциальное давление компонента RL Р 'к. ш/р O. RL (МПа)

1,25/ 0,174

0,2/ 0,026

0,2/ 0,03

Массовая концентрация RH/RL (кг/кг)

0,797 / 0,202

0,985 / 0,0153

0,9895 / 0,011

Кратность циркуляции компонента RH (кг/кг)

4,95

66,6

95,2

Температура смеси на входе в компрессор (°С)

59

48

66

Температура смеси на выходе из компрессора (°С)

157

105

114

Удельная массовая холодопроизводительность:

• по компоненту RL (кДж/кг)

• по компоненту RH (кДж/кг)

722,7 1039

6418 1039

5584 1039

Удельная теплопроизводительнсть

• конденсатора-сепаратора (кДж/кг)

• конденсатора (кДж/кг)

1146 1215

9525 1215

8620 1215

Удельная работа цикла (кДж/кг)

595,4

3301

3220

17.4. Контрольные вопросы и задания

1. Назовите метод получения низкой температуры в компрессорных машинах, использующих:

А) азеотропные смеси; б) неазеотропные смеси; в) несмесимые смеси.

2. Назовите метод получения холода в компрессорных машинах, использующих: а) азеотропные смеси; б) неазеотропные смеси; в) несмесимые смеси.

3. Назовите, какие на Ваш взгляд, достоинства имеют компрессорные машины, использующие:

А) азеотропные смеси; б) неазеотропные смеси; в) несмесимые смеси.

разное

Качественная автономная канализация для загородного дома от грамотных специалистов фирмы «Дом Экологии»

Квалифицированные инженеры, работающие в компании «Дом Экологии», советуют владельцам частных домов либо коттеджей заказать услугу по установке автономной канализации, которая требует минимального обслуживания. Уже многие клиенты, посетившие раздел http://www.osk-ekoline.com.ua/avtonomnaja-kanalizacija-polijetilen.html, смогли …

Преимущества зеркальных шкафов в интерьере

Не секрет, что шкаф-купе — мебель довольно габаритная, так как его объемы должны предусматривать размещение множества вещей. Однако зачастую это отрицательно сказывается на визуальном восприятии небольшого помещения.

Дизайнерские радиаторы из чугуна от radimaxua.com

Интернет-магазин radimaxua.com предлагает широкий ассортимент дизайнерских радиаторов из чугуна, выпускаемых под брендом RETROstyle. Изготовлением декоративных радиаторов занимаются европейские заводы.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.