разное

Диаграммы состояний lgp-h рабочих веществ

Lilt II 11 Hills з ъ § %

8

8 9

§ § 'еинэиае^

%SS 8 8^88 S

О Ok w Чї Vf ^ СП ы

Deg 'еинеиаеИ

111 1 iiiifi a 5 a? sin!

Deg "еинеиаеїї

G §§8 8 8 8 § 8 8 o1oToot^'o«rf^ CO ГЧ

Deg 'enHeuaetf

ТтэжоюШц

Т 001

Pimi % з

Deg 'винеивеї/

Cleg 'еинеиаея

Аналогично термину СОР в литературе используется также и термин СОР^ (эксергетический коэффициент преобразования). Поскольку вопрос обозначений переменных для эксергетического анализа уже решен, то как для анализа циклов, так и для анализа отдельного элемента, будет использовано обозначение - є.

** Целью автора является описание современных методов прикладной термодина­мики, которые могут быть применены для анализа холодильных и теплонасосньтх систем, а не подробное изложение этих методик, что освещено в специальной литературе.

* компрессионные - в литературе прошлых лет издания

* Эту особенность анализа необходимо четко запомнить и не подменять уравнение теплового баланса уравнением стоимости и наоборот, что зачастую имеет место в научных публикациях авторов, не знакомых с постулатами термоэкономики.

* Иногда такой цикл называют внутренне обратимым (англ. - endoreversible), так как в некоторых литературных источниках необратимость в процессе подвода-отвода тепла трактуется как внешняя необратимость.

* Анергия - это энергия, которая не может быть превращена в эксергию в рассматри­ваемом элементе, но может быть превращена в эксергию в последующих элементах.

* Например, при принятии Монреальского протокола экологические показа­тели R-12 оценивали как LCCP=100 и GWP=8000.

^■с'{Тк-Т0 , Г 1 + — + ——— То 0с'{Тк-Т0) 2 2 Т0 сп-с'

Совместное решение ур.(6.26) и (6.33) представляет достаточно громоздкую запись, которая может быть упрощена путем введения комплексов:

• отношение тепла фазового перехода при Т0 к теплоемкости насыщенной жидкости при Тк

С Vk - Т0)

• отношение теплоемкости насыщенного пара при Тк к произве­дению теплоемкостей перегретого пара и насыщенной жидкости при

Тк

{с")2

L = (6.35)

С

• отношение основных температур для построения термоди­намического цикла

(6.36)

Т0

[1] Термин энтальпия (англ. - enthalpy) был введен в термодинамику в начале 1930- ых годов по предлоению Х. Камерлинг-Оннеса как английская производная от двух греческих слов «EN» - вход (in) и «THALPY» - тепло (heat).

Термин термоэкономика (англ.- thermoeconomics) был предложен в 1961 году Р. Эвансом (США) и сразу нашел применение в работах М. Трайбуса (США), Й. Эль - Саеда (США), Р. Гаджиолли (США) и М. Морана (США).

Термин эксергоэкономика (англ.- exergoeconomics) был предложен в 1982 году Дж. Тсатсаронисом (Германия) и быстро стал известным широкому кругу специалистов.

В литературе прошлых лет издания эта величина обозначалась как є. Следует отказаться от использования старого обозначения, так как символом є в современ­ном термодинамической анализе обозначают эксергетическую эффективность.

В литературе прошлых лет издания - (і, <р или и. От этих обозначения также следует отказаться

Не следует теплофикационную машину называть «холодильной машиной с полезным использованием тепла конденсации» или «тепловым насосом с полезно используемой хол од ©производительностью». Такие трактовки являются некор­ректными и всегда приводят к принципиальным ошибкам в анализе.

[5] Этот момент термодинамического анализа только один раз был подробно описан В. С.Мартыновским, однако не привлек должного внимания специалистов, в связи с чем рассматриваемая ошибка достаточно часто встречается как в студенческих работах, так и в научных публикациях, что, естественно, является недопустимым.

[6] Вопросы эффективности мероприятий по утилизации тепла и холода достаточно сложные и рассматриваются как отдельное направление в курсах «Холодильные установки» и «Теплонасосные установки», соответственно.

[7] В энергетике - турбина (см. таблицу 2.4).

[8] Дроссельный вентиль - это термодинамическое название элемента. Процесс дроссе­лирования в действительной холодильной машине (тепловом насосе) осуществляется в регулирующем вентиле (терморегулирующем вентиле) или капиллярной трубке. В любом случае при термодинамическом анализе этот элемент следует называть обобщенно как «дроссельный вентиль».

Тхол(Гср-Тхш+АТИ+АТКД)-

[10] Р. Планк (Германия) в начале 1930-х годов предложил «самый действительный из теоретических» и «самый теоретический из действительных» цикл парокомп­рессорной холодильной машины для возможности проводить анализ и оптимальный выбор рабочего вещества. Метод Планка будет подробно рассмотрен далее.

[11] Разложившееся рабочее вещество вернуть в первоначальное состояние невозможно, в связи с чем оно должно быть удалено из холодильной машины, максимально обезврежено и, естественно, выпущено в атмосферу.

[12] Наибольшее количество гидравлических ударов случается именно в аммиачных ком­прессорах, но эти аварии вызваны исключительно эксплуатационными причинами.

[13] Называть процесс 2-3 конденсацией, а процесс 4-І кипением при анализе цикла Карно, строго говоря, некорректно. Однако для сохранения нижних индексов для qo и qK из «метода циклов», автор остановился на этих обозначениях.

[14] соответственный цикл Карно - термин, введенный В. С.Мартыновским

[15] Метод предложен на кафедре холодильных машин ОГАХ Никулыииным Р. К. и Морозюк Т. В. как основа термоэкономического анализа с использованием «Метода циклов».

[16] Как правило, молодые исследователи (а студенты тем более) считают все диаг­раммы состояний абсолютной истиной, так как основные термодинамические величины в любой точке (температура, давление, удельный объем), а также вели­чины разности энтальпий и энтропий, рассчитанные для любого процесса по раз­личным программам состояний совпадают. Это же факт справедлив и по отношению к приверженцам широкого использования различных пакетов прикладных программ по расчетам термодинамических свойств рабочих веществ и циклов.

~а s компрессора;

Е) изобразите схему машины, работающую по циклу 1-2-3-4;

Ж) изобразите схему машины, работающую по циклу

1-2-3-5.

[17] Термодинамические основы понятия «теплоемкость» рассмотрены в главе 2.

[18] В этой области исследований количество научных публикаций сомнительного науч­ного содержания весьма велико, так как зачастую имеет место научно-популярное изложение серьезных экологических проблем с примитивным описанием физико- химических процессов в атмосфере и процессов в холодильных машинах.

[19] В Европе до 1938 года существовал нормальный режим -10°С; 7V=25°C, т. е. режим, соответствующий нормальной работе одноступенчатой холодильной машины. Несмотря на рекомендации по его использованию совместно со стандартный режи­мом (в СССР даже существовал ГОСТ на определение и использования нормального режима), он был вытеснен из обращения за практической невостребованностью.

[20] В практике современного холодильного (теплойасосного) машиностроения появи­лись конструкции компрессоров, в том числе и поршневых, в которых возможно реализовать одноступенчатое сжатие при рх/ро=20 ... 22, однако такое оборудование производится не всеми заводами-изготовителями. Таким образом выбор рабочего ве­щества предусматривает наличие у инженера-проектировщика информации о потен­циально применяемом оборудовании в проектируемой машине.

Стоимость компрессора является более значимой, чем стоимость теплообменных аппаратов. Размеры компрессора однозначно определяют его стоимость. Если тип компрессора известен, то даже предварительный анализ даст возможность корректно определить его стоимость.

[21] Существует теоретическое предположение, что гомогенная смесь может быть разде­лена на составные части только в том случае, если смесь претерпевает значительные и длительные изменения.

Ранее широко применялась греческая буква <ф> для обозначения массовой концентрации смеси.

[22] Это свойство смесей было описано в Главе 1 как один из методов получения низкой температуры.

[23] Промежуточные тепло - и хладоносители в зарубежной литературе обобщают названием вторичные агенты или вторичные рабочие вещества (англ. - second refrigerant или secondary working fluid).

[24] Дроссельный вентиль является одним их четырех основных элементов машины.

[25] Этот материал не является обязательным для учебного процесса.

[25] Центробежные и осевые компрессоры обобщают названием турбокомпрессоры.

[26] или массы Мт кг

[27] Аналогично анализу процессов расширения в детандере - П.4.2Л.

* Например, если лу=50 об/с, zj=4 и zi= 6, тогда на основании равенства nj'Zj=n2-Z2, получаем л2=33,3 об/с.

[29] В современной прикладной термодинамике поток, температура которого выше, называют «горячим», поток, температура которого ниже - «холодным». В тепло - обменном аппарате горячий поток охлаждается, а холодный нагревается.

[30] характеристики теплообмена;

• ограничения на размеры;

• анализ напряжений;

• стоимостные факторы;

• требования к материалам и технологии изготовлении;

• требования, связанные с условиями обслуживания и ремонта, поддержанием заданных режимом работы и возможностью их регулирования.

Первым критерием проектирования теплообмениого аппарата является выполнение требований по рабочим параметрам: требуемая тепловая нагрузка аппарата должна обеспечиваться во время работы (от одного профилактического ремонта до другого) при поддержании заданных ограничений по гидравлическим сопротивлениям незави­симо от появления отложений на теплообменной поверхности. Известно, что при проектировании имеет место элемент неопре­деленности, например:

• теплофизические свойства рабочих веществ (в отличие от термодинамических) редко известны с высокой степенью точности. Исключение составляют традиционные давно применяемые рабочие вещества и промежуточные тепло - и хладоносители. Методы расчета

[31] Полная теория образования инея на теплообменной поверхности испарителей (воз­духоохладителей и батарей) чрезвычайно сложна, ее следует подробно изучать по специальной литературе. В настоящей книге даны лишь теоретические основы, дающие возможность читателю оценить значимость этого вида осаждений.

[32]____________________________ батарея*

[33] Для студентов, впервые встречающих термины «брутто» и «нетто», автор может дать упрощенное пояснение: масса любого продукта в упаковке - это масса «брутто», без упаковки - «нетто». В данном случае понятие «нетто» означает работу, полученную в обратимом процессе, «брутто» - в необратимом.

[34] В первоначальной теории «ріпсЬ»-метода вопрос материалоемкости системы РТО рассматривался как основной, кроме того, в постановочной части задачи оптимизации имело место нарушение Второго закона термодинамики, в связи с чем «ріпс! і»-метод в трактовке Б. Линнхоффа неоднократно подвергался обоснованной критике. Pinch в переводе с англ. - щепотка, стесненное положение, крайность, сужение, сжатие.

[35] В большинстве учебников по холодильным машинам рассматривают обобщенный случай многоступенчатого сжатия (например, 6-Ю ступеней), что реализуется в ма­шинах, отличных от холодильых (например, используемых на газоперекачивающих станциях). Автор считает рациональным рассматривать реальные ситуации и их решение, поэтому в книге рассмотрены схемы двух - и трехступенчатых холодильных машин.

[36] Здесь и далее при анализе будут использованы символы Т (увеличение) и і (умень­шение) с точки зрения качественного изменения характеристик. Например, тт указывает на увеличение какой-либо величины от двух факторов (но не в 2 раза!).

[37] Напомним, что для рабочих веществ HFC - и HCFC-типа перегрев паров на всасы­вании должен быть не менее 10... 15° для обеспечения сухого хода компрессора.

[38] В литературных источниках прошлых лет издания можно встретить термин двойное дросселирование.

[39] Здесь G обозначает весовое количество рабочего вещества (кг) в отличие от ранее применяемого обозначения М~ массовый расход (кг/с).

[40] Немецкий исследователь К. Федерман в 1931 году защитил диссертацию, в которой был исследован процесс впрыска жидкого рабочего вещества в компрессор при р0 до начала сжатия. Теоретические исследования не получили должного экспери­ментального подтверждения, в связи с чем это направление также мало известно как и цикл, предложенный В. Джимбальвио.

[41] . н. т w +w + w

[42] твердая углекислота не подвергается хранению из-за необходимости поддерживать температуру хранения на уровне -78°С, что чрезвычайно дорого. Работа угле - кислотной трехступенчатой холодильной машины в режиме «пуск-остановка» не применяется по соображениям надежной и безопасной эксплуатации.

[43] Обнаружить имя исследователя, получившего патент на схему или цикл каскадной машины не удалось. Идея каскадной холодильной машины копирует идею бинарного энергетического цикла, в связи с этим, вероятно, появление каскадных холодильных машин не представляло нечто нового в развитии теории энергопреобразующих систем

[44] В иностранной литературе можно встретить название этого элемента как внутрен­ний теплообменник, что не корректно, особенно при рассмотрении системы регене­ративного теплообмена между каскадами.

[45] Разделение каскадной машины для термодинамического анализа на самостоятель­ные машины и определение СОР каждого каскада отдельно является грубейшей ошибкой, которая, однако, достаточно часто встречается в научных публикациях.

[46] Научным руководителем этого направления является Р. К.Никульшин (ОГАХ), под его же руководством теоретико-графовый метод математического моделирования был впервые применен к задачам системно-параметрической оптимизации холодильных машин, в частности для низкотемпературных каскадных холодильных машин.

[47] Четырехступенчатые или четырехкаскадные холодильные машины на практике ни­когда не применялись, рассмотрение этих типов машин необходимо исключительно в научно-исследовательских целях для создания теории, на основании которой была создана математическая модель

[49] В мире выделились три научные группы: Университет Мэриленда (США), Техно­логический университет Делфта (Голландия) и кафедра холодильных машин ОГАХ.

[50] Каждый подобный стенд был по-своему уникален, в связи с чем говорить о широ­ком применении воздушных холодильных машин некорректно.

[51] Напомним, что только цикл Карно по рекомендациям Международного института холода (IIF/IIR) является циклом-образцом для определения термодинамического совершенства реальных обратных термодинамических циклов.

—-О кнс w

Рис. 18.10. Схема двухступенчатой воздушной холодильной машины

Вихревой эффект (эффект Ранка) был рассмотрен в главе 4 как один из методов получения низкой температуры.

[54] впуск. Под давлением газа поршень детандера поднимается до некоторого промежуточного положения. Давление в цилиндре не сни­жается, так как впускной клапан (К-Вп) открыт. Поступающий в цилиндр газ охлаждается, проходя через насадку регенератора (РЕГ), охлажденную ранее;

• расширение. Впускной клапан (К-Вп) закрывается и газ, нахо­дящийся в регенераторе (РЕГ) и цилиндре детандера, расширяется при дальнейшем движении поршня вверх до положения верхней мертвой точки. При этом газ производит работу и охлаждается, его давление понижается;

• выхлоп. При положении поршня детандера в верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (К-Вып), давление снижается до р2 и при обратном движении поршня оставшийся газ выталкивается в выпускную линию.

В процессах расширения и выхлопа осуществляется произ­водство холода. Элемент машины, в котором вырабатывается холод - нагреватель (НАГ), что подразумевает в названии этого элемента

[55] Здесь и далее термин «турбина» означает элемент энергетической системы, в кото­ром производится работа (крутящий момент) путем расширении рабочего вещества. Конструктивное исполнение турбины (поршневая или турботехника) при необходи­мости будет описано в каждом конкретном случае.

В качестве исторической справки следует напомнить, что в середине XIX века все самодвижущиеся устройства были с приводом от тепловой машины: ткацкие станки, металлорежущие станки, паровозы и т. д. В 1882 году идея соединения тепловой машины с электрогенератором привела Э. В. фон Сименса к созданию первой в мире электростанции.

[57]

А. Н. Ложкин в конце 1930-ых годов первым в русскоязычной термодинамической литературе начал широко использовать понятие термотрансформатор, он же разработан их первую классификацию и сформулировал правила анализа.

[58] Повторим сноску, приведенную в п.5.2. Называть процессы 1-2 генерацией, 3-4 и 5-6 конденсацией, а также 7-8 кипением при анализе цикла Карно-Карно (рабочее вещество - идеальный газ) некорректно. Однако для сохранения нижних индексов, соответствующих названиям этих элементов в схеме действительной машины, автор остановился на таких обозначениях.

[59] —2 , 2 Тср

Т COPmeop СОРтеор сОРтеор

Ср прямого прямого прямого

Цикла цикла цикла

[60] величины ATк и АТИ взаимосвязаны.

Принятие окончательных решений при проектировании исключительно на основании результатов термодинамической опти­мизации лишено смысла, так как уже неоднократно было показано ранее, что решения, которые являются оптимальными с точки зрения термодинамики, слишком удаланы от оптимальных решений с точки зрения термоэкономики. Эта часть исследований, проведенных на кафедре холодильных машин ОГАХ под руководством автора, демонстрирует пример несостоятельности проведения термодинами­ческой оптимизации для теплоиспользующих холодильных машин и косвенно доказывает необходимость междисциплинарного подхода, например, с использованием термоэкономики в качестве инструмента для проведения анализа и оптимизации.