Книга Тепловые насосы > Тепловые насосы
ЦИКЛ С МЕХАНИЧЕСКОЙ КОМПРЕССИЕЙ ПАРА
Глава 2 Теория тепловых насосов - содержание
С целью приближения к простому циклу Карно, а фактически это значит — с целью создания практически полезного теплового насоса, необходимо стремиться к подводу тепла при условиях, близких к изотермическим. Для этого подбираются рабочие тела, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации. Эти процессы образуют изотермы цикла. Сжатие пара, как правило, требует, чтобы пар был сухим, что вызвано особенностями механики большинства компрессоров (см. гл. 3). Попадание жидкости вместе с паром на вход компрессора может повредить его клапаны, а поступление большого количества жидкости в компрессор может вообще вывести его из строя (если не приняты предохранительные меры, например подпружиненная головка цилиндра).
Цикл с механической компрессией пара и его изображение на Т—S (температура — энтропия) диаграмме показаны на рис. 2.3.
Рассмотрим цикл только с сухой компрессией пара и расширением в дроссельном клапане. Этот клапан представляет собой либо регулируемое сопло или отверстие, либо капиллярную трубку. Выбор между ними определяется требованиями в регулировании. Отсутствие расширительной машины в цикле означает, что некоторое количество полезной работы теряется и КОП уменьшается. Как правило, это оправдано тем, что стоимость расширительной машины не окупается полученной на ней работой. Процесс расширения в сопле необратим, он показан пунктиром на
T—S диаграмме (см. рис. 2.3). Обычно он рассматривается как адиабатический, т.е. проходящий без подвода или отвода тепла при расширении рабочего тела.
Теперь продемонстрируем цикл другим способом, с помощью широко применяемой на практике для парокомпрессионных циклов диаграммы давление — удельная энтальпия {p—h), что показано на рис. 2.4. Далее в главе будет использоваться только такая диаграмма.
Рис 2.3. Парокомпрессионный цикл
1 — испаритель; 2 — компрессор; 3 — приводной двигатель; 4 — конденсатор; 5 — дроссельный к
клапан; 6 — пограничная кривая.
Рис. 2.4. Идеальный парокомпрессионный цикл
Этот рисунок следует рассмотреть внимательно. Сжатое рабочее тело под высоким давлением покидает компрессор в точке 1.
Поскольку на вход в компрессор поступал только сухой пар и
благодаря наклону линий постоянной энтропии, в точке 1 пар перегрет. Прежде чем пар начнет конденсироваться в точке 2, его следует охладить при постоянном давлении. Между точками 2 и 3 происходит конденсация при постоянной температуре (если нет утечек пара). Отсюда видно, что теплообменный аппарат, в котором происходит конденсация (конденсатор), всегда должен быть рассчитан иа прием перегретого пара. Адиабатическое расширение изображается на р—h диаграмме вертикальной прямой 3—4, и в этом одна из причин удобства такой диаграммы. Для расчета цикла необходимо зиать состояния рабочего тела только на входе в компрессор и выходе из него. Остальное изображается прямыми линиями. Испарение происходит при постоянных давлении и температуре между точками 4 и 5. Следует отметить, что расширение происходит фактически в смеси жидкости и пара. Входящая в испаритель смесь содержит значительную долю пара, иногда до 50% по массе, и эта доля рабочего тела, естественно, уже не участвует в процессе испарения и поглощения тепла. Между точками 5 и /
происходит изоэнтропийное сжатие сухого пара. На практике его реализовать нельзя, но здесь мы рассматриваем идеализированный цикл. Его эффективность меньше, чем у цикла Карно, из-за необратимости процесса расширения.
Подчеркнем второе важное преимущество р—h диаграммы. Поскольку на горизонтальной оси откладывается энтальпия, она допускает прямой отсчет Qh, Ql и W. Простое соотношение Qh=Ql + W из диаграммы очевидно. В то же время диаграмма позволяет сразу оценить значение КОП. Для получения высокого КОП значение Qh должно быть велико, a W (работа сжатия) должна быть мала. Пригодность того или иного рабочего тела можно быстро оценить при взгляде на его р—h диаграмму. Описанный парокомпрессионный цикл одинаков и для теплового насоса и для холодильной машины. Его часто называют обратным циклом Ренкина или, менее точно, просто циклом Ренкина. В действительности цикл Ренкина относится к процессу в паровых турбинах при выработке электроэнергии. На Т—S диаграмме он протекает по часовой стрелке, включая испарение и конденсацию.
Подчеркнем два различия между циклом Ренкина и механическим парокомпрессионным. Первое состоит в направлении: цикл Ренкина— это энергетический цикл, отдающий мощность при расширении пара в турбине. Второе различие в том, что в цикле Ренкина сжимается 100% жидкости. Действительно, обратимым по отношению к циклу Ренкина был бы цикл с расширительной машиной, а не с необратимым расширением в дросселе. На практике, однако, разница не очень существенна.
