разное

Теилоиспользующие машины

Проанализируем процессы в прямом и обратном циклах (рис.19.3в). Процесс отвода тепла в прямом цикле (процесс 3-4) и процесс отвода тепла в обратном цикле (процесс 5-6) проходят при одинаковой температуре (Гс/?). Если в прямом и обратном циклах использовать одно и то же рабочее вещество, то эти процессы обоих циклов можно совместить. Таким образом мы подошли к рассмотре­нию теплоиспользующих холодильных машин.

Цикл теплоиспользующей холодильной машины состоит из двух термодинамических циклов (прямого и обратного), для реализа­ции которых используется единое рабочее вещество. Работа, произве­денная в прямом цикле, потребляется в обратном (рис. 19.4). Таким образом в теплоиспользующей холодильной машине используют только два рабочих вещества: топливо, как приводная энергия и рабочее вещество для обоих термодинамических циклов.

Класс теплоиспользующих холодильных машин составляют:

• компрессорные, в которых механическая работа, вырабаты­ваемая в прямом цикле, затрачивается в обратном;

• эжекторные (с паростуйным компрессором), в которых потенциальная энергия рабочего вещества при переносе тепла с высокого (Тгор) на низкий температурный уровень (Тср) в прямом цикле затрачивается на изменение кинетической энергии рабочего вещества в обратном цикле;

• сорбционные (аб - и адсорбционные с термохимическим компрессором), в которых положительное «производство энтропии»

Рис. 19.4. Циклы теплиспользующих холодильных машин: а, б) в диаграмме T-s; в) в диаграмме T-s-M

При переносе тепла высокого (Тгор) на низкий температурный уровень (Тср) в прямом цикле компенсирует отрицательное «производство энтропии» при переносе тепла с низкого температурного уровня (Тхол) на высокий (Тср) в обратном цикле.

Вся теория, рассмотренная для анализа холодильных машин с приводом от теплового двигателя, остается справедливой для тепло- использующих холодильных машин. Изменение претерпело изобра­жение термодинамического цикла. Два самостоятельных цикла Карно соединены в один сложный цикл Карно-Карно (рис. 19.4), чем подчеркивается факт использования единого рабочего вещества в обоих термодинамических циклах теплоиспользующей машины.

Цикл Карно-Карно в термодинамическом анализе различных типов теплоиспользующих машин впервые был использован:

• в 1955 году Л. М.Розенфельдом и А. Г.Ткачевым для эжекторной холодильной машины (рис. 19.46);

• в 1964 году В. СМартыновским для компрессорного тепло - использующего теплового насоса (рис. 19.46);

• в 1964 году Г. Стирлиным (Швейцария) для анализа абсорбционной холодильной машины и по аналогии с этим в 1998 году Ф. Меньером с соавторами (Франция) для адсорбционной холодильной машины (рис. 19.4а).

Важным вопросом при изучении теплоиспользующих холо­дильных машин и тепловых насосов является терминология. Несоот­ветствие между применяемой в мире терминологией затрудняет чтение литературы и приводит к неверным трактовкам в результате переводов. Необходимо отметить, что до сих пор при описании теплоиспользующих машин нет полного эквивалента в русской, английской, французской и немецкой терминологиях. Несмотря на то, что абсолютное большинство научных работ в мире публикуют ныне на английском языке, собственной английской терминологии для теплоиспользующих машин не существует, в связи с отсутствием этой тематики среди англоязычных специалистов (автор имеет ввиду фундаментальные работы). Используемая русская терминология явля­ется прямым переводом немецкой терминологии, и установилась еще с 1950-ых годов. Английская терминология является переводом с французской или немецкой терминологии, причем имеет место достаточно свободное использование некоторых понятий без поясне­ний для читателей. Автор считает целесообразным* рассмотреть, прежде всего, соединение терминологии и схемного решения, что в значительной степени облегчит в дальнейшем описание и анализ всех типов теплоиспользующих машин.

В русской терминологии (по предложению В. С.Мартыновс- кого) термотрансформатор - это обобщенное название любой сложности машины, работающей по прямому или обратному термодинамическому циклу. Такое обобщение является корректным только на уровне термодинамического анализа. Например, холодиль­ная машина, тепловой насос и теплофикационная машина - это повышающие простые термотрансформаторы, тепловой двигатель - понижающий простой термотрансформатор.

Теплоиспользующая холодильная машина классифицируется несколькими способами:

• теплоиспользующий понижающий термотрансформатор. В этой терминологии подразумевается, что тепло (как приводная энергия) с высокого температурного уровня (Тгор - наиболее высокого для термотрансформатора) переносится на низкий (Тср);

Подробное рассмотрение этого вопроса актуально именно при изучении. теплоиспользующих машин, так как этот же материал, но приведенный во Введении, будет иметь отвлеченный характер.

Рис Л 9.5. Теплоиспользующие понижающие термотранформаторы в режиме работы: а) холодильной машины; б) теплового насоса; с) теплофикационной машины

• теплоиспользующий повышающий термотрансформатор (в терминологии А. Н.Ложкина* 1948 года). В основе этой терминологии лежит принцип переноса тепла (для производства холода как полезного эффекта машины) с низкого температурного уровня (Тхол - минимального для термотрансформатора) на высокий (Тср).

Оба варианта классификации имеют право на существование, если речь идет только о теплоиспользующей холодильной машине.

В работах В. С.Мартыновского (1950-60-ые годы) показано, что теплоиспользующий термотрансформатор, изображенный на рис. 19.4а, может работать как в режиме холодильной машины (рис. 19.5а), так и теплового насоса (рис. 19.56), и теплофикационной машины (рис. 19.5с). Подобные выводы можно найти и в работах П. Ле Гоффа (1970-1990 годы). Для теплоиспользующего теплового насоса и теплофикационной машины уровень Тср в машине отсутствует и заменен Тср*>Тср.

В зарубежных публикациях встречается термин «абсорбцион­ный тепловой насос». Понятно, что слово «абсорбционный» описы­вает вид компенсирующего процесса. Только после тщательного изучения схемно-циклового решения становится понятно, что таким термином описывают повышающие теплоиспользующие термотранс­форматоры (рис. 19.6), в которых тепло высокого потенциала (Тгор) одновременно является первичной энергией и тем теплом, уровень
которого необходимо повысить до более высокого (Тгор>Тгор). В терминологии А. Н.Ложкина этот термотрансформатор носит название «расщепительный».

Обобщая все вышеизложенное, можно сделать следующие выводы. Теплоиспользующие машины представляют термотрансфор­маторы двух типов:

• понижающий теплоисполъзующий, для работы в режиме холо­дильной машины, теплового насоса и теплофикационной машины. В режиме понижающего термотрансформатора могут работать комп­рессорные, эжекторные и сорбционные теплоиспользующие машины;

• повышающий теплоисполъзующий, только для работы в режи­ме теплового насоса. В режиме повышающего термотрансформатора работают только компрессорные и сорбционные теплоиспользующие машины.

Термодинамическая эффективность теплоиспользующих ма­шин (теплоиспользующих термотрансформаторов) - коэффициент преобразования СОР, все возможные варианты определения которого представлены в таблице19.1.

Рис. 19.6. Теплоиспользующие термотранформаторы: а) понижающий; б) повышающий

Б)

Б)

Рис. 19.7. Комплексные термотрансформаторы: а) система мульти-генерации; б) сложная теплоиспользующая машина

Рассмотрим два направления в создании комплексных гермо - трансформаторов на основе теплоиспользующих машин (рис. 19.7). Если работа, произведенная в прямом цикле, оказывается больше, чем работа, необходимая для осуществления обратного цикла, то за счет разности ЛW=Wnp^0u-Wo6pamflbtu возможно производить электроэнер­гию. Такая машина, по предложению Б. А.Минкуса и Т. В. Морозюк (1993 год), носит название тепло-хладо электроценталь, так как способна производить три энергетических эффекта одновременно: электроэнергию, тепло и холод. В зарубежной литературе такие машины известны как системы три-генерации или мульти-генерации.

Если работы, производимой в прямом цикле недостаточно для осуществление обратного цикла, то необходимо использовать допол­нительный источник работы (Wnpjwoii+AW- Wo6pamHbll<). Такие машины обобщены названием сложных или гибридных теплоиспользующих термотрансформаторов. Сложные и гибридные теплоиспользующие машины чаще всего создаются на основе абсорбционных машин. Некоторые их них будут рассмотрены в главе 23.