разное

Термодинамический анализ эжекторной машины

Эжекторная холодильная машина (тепловой насос) работает следующим образом (рис.21.1). Рабочее вещество после конденсатора распределяется по контурам: одна часть движется по линии ДВ—>И—>Э в контуре, работающем по обратному термодинамичес­кому циклу; другая часть - по линии Н—>Г—>Э в контуре, работающем по прямому термодинамическому циклу.

В основе любой математической модели и компьютерного моделирования на ее основе лежат многочисленные упрощения, поэтому информация, приведенная на рис.21.5 не может расцениваться как абсолютно реальное описание процессов.

Энергетический баланс эжекторной машины записывают в

Виде

Qr + Qo+Wff=QK, (21.7)

Или в удельных характеристиках цикла

Qr-a + wH a + q0=qK(l + a), (21.8)

Где а - кратность циркуляции. Работа насоса чрезвычайно мала, поэ­тому величина Wh может быть исключена из анализа.

Выражения для определения коэффициента преобразования эжекторной машины записывают аналогично СОР компрессорной теплоиспользующей машины:

• для холодильной машины СОР = ;

Qr

• для теплового насоса СОР^ - .

Qr

21.2.1. «Метод циклов»

Рассмотрим процесс формирования действительного термоди­намического цикла эжекторной машины, используя «метод циклов».

Цикл Карно-Карно (глава 20, рис. 20.1 б) является циклом - образцом также и для анализа эжекторной холодильной машины (теплового насоса) на основании следующих положений:

• эжекторная машина является теплоиспользующей, следова­тельно, ее термодинамический цикл представляет соединение прямого и обратного циклов;

• на первом этапе анализа абсолютно корректно принять, что источники тепла имеют постоянные температуры (Тгор, Тср и Тхол) и существуют идеальные условия теплопередачи в теплообменных аппаратах ТГ=Тгор, Тк=Тср и Т0=Тхол\

• эжектор может быть представлен как соединение турбины и компрессора.

Для эжекторной машины, также как и для компрессорной теплоиспользующей машины должно сохраняться условие совпадения точек 4=6.

Г >1

4

=6,

Тср

Тхоп б)

Цикл Карно-Карно может быть признан как корректный цикл - образец только при условии, что в эжекторе осуществляется теорети­ческий процесс смешения, т. е. точки 3 и 3* (рис.21.4) совпадают.

В обобщенную схему теплоиспользующей машины внесем фиктивные элементы: турбину (Т*) и компрессор (КМ*) - рис.21.6а, которые относятся к прямому термодинамическому циклу при усло­вии Wt^-Wkm*- Тогда энергетический баланс теоретической эжектор­ной машины запишется в виде

Qr + Qo + Wtf +wKM + =e* +WT + . (21.9)

Введение фиктивных турбины (T*) и компрессора (КМ*) необходимо для описания того факта, что рабочее вещество в сопле эжектора расширяется не от рг до рк (на уровне анализа цикла Карно - Карно от Тгор до Тср\ а от Тгор до Т^ (процесс 3-А) и впоследствии сжимается в диффузоре от Тхол до Тср (процесс А-3). Описанные процессы отражены в цикле Карно-Карно, представленном на рис.21.66, тогда процесс 5-6 представляет отвод тепла от рабочего вещества (при Тср) в обратном цикле, процесс 3-4 - отвод тепла от рабочего вещества (при Тср) в прямом цикле.

Следующим этапом создания «метода циклов» для эжекторной машины является введение процесса смешения потоков в камере смешения эжектора, для чего необходимо разделить цикл Карно - Карно на прямой и обратный циклы как показано на рис.21.7а.

Рабочее вещество после последовательного расширения в Т и Т* (процесс 2-3-А, что эквивалентно расширению в сопле эжектора) смешивается при Тхол с рабочим веществом в состоянии точки 8 с образованием общего потока, характеризующегося точкой С. Тепло, необходимое для подвода тепла в процессе А-С (прямой цикл), равно теплу, отведенному в процессе 8-С (обратный цикл). Таким образом процесс сжатия А-3 в фиктивном компрессоре прямого цикла (КМ*) и процесс сжатия 8-5 в компрессоре (КМ) обратного цикла объединятся в общий процесс С-3*. Тепло, отведенное в процессе 3*~6 (обратный цикл) и процессе 3*-4 (прямой цикл) представляет суммарное тепло, отведенное в КД.

В ранних версиях термодинамического анализа эжекторной машины было использована аналогия анализа цикла компрессорной теплоиспользующей машины. Условно было принято, что поток рабо­чего вещества после генератора расширяется в эжекторе (процесс 2-3), а поток рабочего вещества после испарителя сжимается (процесс 8-5), после чего происходит смешение потоков с образованием сос­тояния 3*. С точки зрения начальных этапов анализа, когда эжектор принят идеальным, такое предположение абсолютно корректно. Однако при необходимости рассмотрения тепло - и массообменных процессов в эжекторе, от описанного упрощения следует отказаться.

Следующим этапом «метода циклов» должен стать учет свойств действительного рабочего вещества, сопровождающийся: • переносом точек 4-6 из зоны влажного пара на левую пограничную кривую (аналогично рис.20.2а), а точек 3 и 8 на правую пограничную кривую с соответствующим увеличением расхода грею­
щего источника и возникновением дополнительных необратимостей в процессе нагрева рабочего вещества от точки 1 (переохлажденная жидкость) до состояния насыщения (точка 1 [67]);

• заменой детандера в обратном цикле дросселем с рассмотре­нием соответствующих необратимостей (аналогично рис.20.26);

• введением понятия кратности циркуляции а и коэффициента эжекции и.

Окончательно все описанные факты позволяют построить цикл эжекторной машины в виде, представленном на рис.21.76.

Несмотря на то, что эжектор является работоспособным в области влажного пара*, желательным является осуществление всех процессов в эжекторе в зоне перегретого пара. Этот факт отражается в «методе циклов» как:

• необходимость перехода от изотермических процессов подво - да-отвода тепла к изобарным;

• необходимость перегрева рабочего вещества в генераторе до температуры Г2, обеспечивающей конец расширения в сопле в зоне перегретого пара точка А (рис.21.8).

Очевидным является и введение разности температур в процессы подвода-отвода тепла (аналогично рис.20.3а).

На последних этапах анализа необходимо ввести в цикл два дополнительных давления, описанных как рЛ и ps на рис.21.4, и в заключение ввести реальное прохождение процессов, подробно рассмотренное также на рис.21.4.

Рис.21.8. Действительный цикл эжекторной холодильной машины

Цикл действительной эжекторной машины представлен на рис.21.8. Абсолютно точное изображение протекания политроп сжатия и расширения в эжекторе невозможно, даже при наличии экспериментальных данных.

21.2.2. Методы повышения эффективности

Одним из методов повышения термодинамической эффектив­ности эжекторных машин является введение процессов регенератив­ного теплообмена в оба контура машины. Схема эжекторной машины с двумя РТО изображена на рис.21.9. Циклом-образцом для анализа эжекторной машины с системой РТО будет цикл обобщенный Карно - обобщенный Карно (рис.20.5б).

Рассмотрим влияние системы РТО на основные показатели эжекторной машины с рабочими веществами HFC- и HCFC-типа.

Частная задача была решена для эжекторной холодильной ма­шины, использующей R-142b в качестве рабочего вещества, с темпе­ратурным уровнем производства холода ТХОД=&°С (режим кондициони­рования воздуха), диапазон изменения температуры конденсации 7^=28...40°С; диапазон изменения температуры генерации 7}=70... 120°С. Анализ предусматривал расчет теоретического цикла машины (идеальный эжектор) на уровне удельных характеристика цикла, поэтому величина полной холодопроизводительности машины Q0 не задавалась. Результаты расчетов представлены в безразмерном виде

Л - и ~иРто „ л _ СОР — СОРРТО

4" и Асор~ СОР '

Где величины без индекса описывает соответствующие характе­ристики простейшей эжекторной машины (рис.21.1), величины с индексом «РТО» - включение РТО-1 и/или РТО-2.

Из анализа приведенных на рис.21.10 зависимостей видно, что при использовании РТО-1 имеет место незначительное увеличение СОР эжекторной холодильной машины, однако коэффициент эжекции и в целом понижается (т. е. возрастает кратность циркуляции а), что будет способствовать повышению скорости потока, направляемого из испарителя. Изменение основных удельных характеристик работы машины в диапазоне 2-6% не может дать однозначного положитель­ного ответа о необходимости применения РТО-1.

Анализ применения РТО-2 на основании величины СОР (вели­чина и остается постоянной) демонстрирует возможность увеличения термодинамической эффективности машины в среднем на 10%, существуют и режимы, в которых наблюдается максимум. Очевидно, что совместное использование РТО-1 и РТО-2 будет способствовать повышению СОР машины.

Критический анализ показывает, что при общем весьма низком значении СОР эжекторной машины, увеличение его на 15...20% не сможет приблизить такую машину по термодинамической эффектив­ности ни к компрессорной теплоиспользующей, ни к абсорбционной. Кроме того, термоэкономический анализ машины явно будет свиде­тельствовать в пользу отказа от применения системы регенеративного теплообмена.

Практика применения пароводяных эжекторных машин дока­зала нецелесообразность системы РТО, поскольку незначительное повышение термодинамической эффективности влечет за собой существенное повышение одновременно капитальных и эксплуата­ционных затрат машины, связанных с необходимостью поддержания вакуума также и в РТО.

Еще одним методом повышения эффективности эжекторной машины является применение сложных эжекторов, в которых осу­ществляется двухступенчатое сжатие. Поток рабочего вещества из испарителя первоначально сжимается от р0 до рпр и далее от рпр до рк, при этом используется поток рабочего вещества pr-const. В этом случае давление кипения и генерации сохраняются неизменными. Схема машины и цикл изображены на рис.21.11.

Идея создания двухступенчатого эжектора для холодильных машин впервые была высказана Р. Фолленом (Франция) в 1928 году, однако дальнейшего развития не получила. Значительный прогресс в разработку теории и практики по созданию эжекторов, способных работать при больших величинах отношения давлений (р//ро) в соста­ве энергетических установок, был внесен Ю. К.Аркадовым в 1980-ых годах. Эти разработки и были положены в основу создания схемы и цикла эжекторной холодильной машины с двухступенчатым эжекто­ром, предложенной Дж. Граццини и А. Рочетти (Италия) в 2002 году. Анализ пароводяной эжекторной холодильной машины был проведен численными методами при вариации исходных характеристик: 7V=120°C (7}<=87.. .110°С); Тср=30°С (Г*=40.. .48°С); ТХОД^ 12°С (2о=5...7°С). Эжектор был принят идеальным. Величина СОР по результатам расчетов изменялась в диапазоне 0,38...0,53, что могло бы свидетельствовать о значительном повышении термодинамичес­кой эффективности, однако разброс данных по результатам расчетов (например, по величине и и другим показателям) был настолько большим, что авторы не смогли сформулировать выводы о рациональ­ности применения этого метода повышения эффективности для дейст­вительных условий эксплуатации. В результате можно утверждать,

Из генератора р

6 конденсатор

Что эффективность последовательного сжатия в одном эжекторе будет очень низкой даже с точки зрения эжекторных холодильных машин.