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

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.

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

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

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

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

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

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

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.