Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

А. В. Бараненко. Холодильные машины

.pdf
Скачиваний:
517
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
32.49 Mб
Скачать

УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ

__ИНЬI

Под общей редакцией проф. л. с. Тимофеевского

Рекомендовано

МинистерСТ!lОМ общего и профессионального образования

',:Российской Федерации в качестве учебника

Д/IJI С1Удентов высших учебных заведений, обучающихсв по специальности

·'Техника и физика низких температур"

ББК 31.392

Х73

УДК 621.56/.59

А в т о р ы: А. В. Баравевко, Н. Н. Бухарив, В. И. Пекарев, И. А. Сакув,

Л. С. Тимофеевский

Р е Ц е в з е в т ы: кафедра холодильвой и криогеввой техники

Московской государствеввой академии химического машивостроевия

(зав. кафедрой д. т. в., проф. Калвивь И. М.); д. т. в., проф. Новиков И. И.

Издаllие выnуще1l0 в счет дотации, выделеllll.0Й Комитетом рф по печати

Холодильные маmивы: Учебник для студентов втузов спе-

Х73 циальности «Техника и физика низких температур. /А. В. Ба­ раненко, Н. Н. Бухарин, В. И. Пекарев, И. А. Сакун, Л;., C~ Ти­

мофеевский,; Под общ. ред. Л. С. Тимофеевекого. -т СПб.:

Политехника, 1997. - 992 С.: ил.

ISBN 5-7325-0372-2

Учебвик содержит теорию, расчет, сведевия о регулировавии и экс­ плуатации холодильвых машив: парокомпрессорвых, газовых, тепло­ использующих, термоэлектрических, объемвого и динамического прив­ ципов действия, а также ·аппаратов и расширительвых машив для холо­

дильвой техвики. Рассмотревы свойства рабочих веществ, основы авто­ матизации, вопросы агрегатировавия, освоввые привципы использовавия

машив и систем визкопотевциальвой эвергии.

 

22040000ОО-254

ББК 31.392

х

7-96

 

045(01)-97

 

'--';,:,ISВN":~:UЗ72:~:-I'

~._,~_~~CI~~~Bq .Политехникаt, 1997

! .. ~

1"П.;."<q1'jj.I;'~:..J!

 

;,,', .. ' ..: .. _

 

;'йа у:виt' ,'''~i-l~

~

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник написан авторским коллективом кафедры хо­ лодильных машин и низкопотенциальной энергетики Санкт-Петербург­ ской государственной академии холода и пищевых технологий в соот­ ветствии с действующей учебной программой курса .Холодильные

машины. высших учебных заведений,готовящих инженеров по спе­ циальности .Техника и физика низких те,мпераrур. специализации

.ХОЛодильные и компрессорные машины и установки•.

Воснову учебника положены лекции, читаемые в СПБГАХПТ,

атакже многолетний опыт преподавания курса .Холодильные маши­

иы. префессорско-преподавательским составом кафедры в академии. В учебнике изложены теоретические основы, анализ процессов,

методики расчета холодильных машин в целом и отдельных их эле­

ментов. Впервые для учебников подобного типа в самостоятельную

главу выделены термогазодинамические основы процессов в холодиль­

ных компрессорах и расширительных машинах. В отдельных разде­

лах соответствующих глав приведены основы теории и расчета спи­

ральных и осевых компрессоров. Впервые также в учебник включена

глава по основам теории и расчета расширительных машин для холо­

дильной техники, а заключительная глава, касающц.яся машин и сис­ ТеМ низкопотенциальной энергетики, существенно дополнена новыми

метериалами по сравнению с соответствующей главой предыдущего учебника .. Холодильные машины•.

В некоторых разделах учебника сокращен излагаемый материал по

коиструкциям и методикам расчета холодильных машин и их элемен­

тов. Это связано с тем, что более подробные сведения можно получить

~ специальной справочной литературы серии .Холодильная техни­ ка. [78, 85, 86] и из учебников по основам тепломассообмена и тепло-

96,менным аппаратам холодильных машин и установок [18, 73, 771.

, В написании учебника участвовали: д-р техн. наук, проф. А. В. "Ба­

раненко - глава 2, § 5.1 и часть § 5.2, часть § 12.3; д-р техн. наук,

проф. Н.

Н. Бухарин - главы 4, 7, 9, 10, § 8.1, § 12.1 и часть § 12.2;

д-р техн.

наук, проф. В. И. Пекарев - главы 1, 3, 6, часть § 8.2, § 13.1

и часть § 12.2; д-р техн. наук, проф. И. А. Сакун - часть § 8.2

(СТР. 391-451,480-490), § 8.3 и § 8.4; д-р техн. наук, проф. Л. С. Ти­

мофеевский - предисловие и введение, главы 11, 14, часть § 5.2, часть'

§ 12.3, § 13.2. .

Общее редактирование учебника выполнено Л. С. Тимофеевским. Авторы благодарят канд. техн. наук, проф. Е. д. Герасимова, канд.

техв. иаук, доц. А. А. Дзино, каид. техн. наук, доц. В. А. Евстафьева, кавд. техи. наук, доц. А. Я. Ильина, канд. техн. наук, доц. В. А. Ко­

РОТкова, канд. техн. наук, доц. В. М. Мизина, канд. техн. наук, доц. А. Н. Носкова, канд. техн. Hay:IC, СТ. науч. сотр. В. Л. Сысоева, канд.

~ХИ. иаук, доц. В. П. Суетинова, канД. техн. наук М. В. Фоменко

И ,цруrих СОтРУДН'иков кафедры холодильных машин И· низкопотенци­ anЬНQЙ энергетики СПБГАХПТ за помощь в подготовке рукописи.

. Авторы выражают признательность инж. О. М. Ованесовой за боль-

шую работу, выполненную при оформлении рукописи.

:·~··.1J)Л! ',.,'ET'~,\

ВВЕДЕНИЕ

Охлаждением называется процесс отвода теплоты или отдачи рабо­

ты, который сопровождается понижением температуры и протекает

с участием не менее двух тел: охлаждаемого и охлаждающего. В холо­

дильной технике различают естественное и искусственное охлажде­

ние. Естественное охлаждение осуществляется вследствие самопроиз­

вольной передачи теплоты окружающей среде (атмосферному воздуху,

воде естественных водоемов и грунту) [87], имеющей более низкую

температуру, чем охлаждаемое тело.

Температурный 'уровень окружающей среды в наземных условиях

подвержен значительным колебаниям как в течение суток, так и в

течение года и не цоддается регулированию, что не отвечает требова­

ниям современного материального производства, жнзни и бьiта людей

[88].. Поэтому с развитием научно-технического прогресса в последние

десятилетия естественное охлаждение практически во всех сферах де­

ятельности человека заменяют искусственным.

Искусственный холод получают двумя способами. Первый основан

на аккумулировании естественного холода, второй - на сущеСТВУ19-

щей в. природе закономерности, выражаемой вторым законом термо- ~

динамики [62].

.

.

Первый способ, относящийся к области ледяного или льдосоляного

охлаждения, основан на том, что колебания температуры окружаю-­

щей среды в природных условиях создают возможность сохранять или

аккумулировать естественный холод в сравнительно ограниченном

пространстве. Наиболее раСПРОСТРaJ;lенным телом, сохраняющим есте­

ственный холод, является водный лед. Его заготавливают зимой, что­

бы в теплое время года использовать для охлаждения. Охлаждающий

эффект водного льда, например, при нулевой температуре равен '.пло­

те его плавления и составляет 336,0 кДж/кг. Применяя смесь водного

льда с солью, например, с хлористым кальцием, можно получить тем­

пературу до -55,0 'с.

Второй способ составляет основу машинного охлаждения. Согласно

второму закону термодинамики для получения холода необходимо за­

тратить внешнюю работу. При этом теплота отводится от охлаждаемо­

го источника и подводится к источнику окружающей среды. Охлаж­

даемый источник называют также источником теплоты низкой темпе­ ратуры. В машинах, работающих по теплонасосному циклу, теплота

может отводиться как от источника окружающей среды, так и от ис­

точиика, имеющего температуру, превышающую температуру. окру­

жающей среды. Такие источники называют также источииками низ­ копотенциальной теплоты. В тепловом насосе теплота от указанных

источников вследствие затраты внешней работы передается к источни­ ку теплоты высокой температуры, или нагреваемому источнику.

С помощью холодильной машины можно осуществлять и комбини­ рованный цикл, состоящий по существу из двух цикЛов: холодилъного

итеплонасосного. В такой машине одновременно вырабатываются холод

итеплота.

Диапазои температур, достигаемых· с помощью холодильных ма­

,шин, достаточно широк: от положительиых значеиий температур, при­ ближающихся к температуре источника окружающей среды, до тем-

пературы предела искусственного охлаждения, близкой к абсолютно­

му нулю (-273,15 ·с).

Область так называемых умеренных температур охлаждения (уме­

ренного холода) охватывает диапазон температур от положительных

их значений до отрицательной температуры, соответствующей примерно

-160 'с.

.

Вузовский курс .Холодильные машины. посвящен изучению спо­

собов получения искусственного холода, различных типов и конструк­

ций ХОЛОДИЛЪНЫХ машин, работающих в области умеренных темпера-

тур охлаждения.

.

Для переноса теплоты в машинах при осуществлении холодильно­

го, теплонасосного и комбинированного циклов используются рабочие вещества, которые называют также холодильными агентами. Холод к объекту охлаждения обычно передается с помощью промежуточного теплоносителя (воздуха, воды, рас~ола и др.).

Промышленные холодильные машины, работающие в области уме­

ренного _холода, можно подразделить на три основные группы: ком­

прессорные, теплоиспользующие и термоэлектрические.

Комnрессорн-ые холодильн-ые машин-ы используют механическую работу. Одним из элементов этнх машин является компрессор, сжи­

мающий и перемещающий паро- и газообразное рабочее вещество.

Теплоиспользующие холодильн-ые машин-ы - пароэжекторные и аб­

сорбционные - используют для работы теплоту греющих источников,

имеющих температуру 70-200 'с. При этом греющими источниками

служат пар из котельных или промежуточных отборов ТЭЦ,. горячая

вода, отходящие пары и газы технологических производств или дру­

гих источников вторичных энергоресурсов (БЭР).

Термоэле"тричес"ие холодильн-mе машин-ы используют для рабо­

ты непосредственно электрическую энергию.

В компрессорных и теплоисщ>льзующих холодильных машинах

протекают сложные термодинамические и газодинамические процес­

сы, а в термоэлектрических - термоэлектрические, с переносом теп­

лоты при воздействии потока электронов на атомы. Поэтому слуша­ нию курса .Холодильные машины. должно предшествовать изучение

термодинамики, теории теплопередачи, гидродинамики и др. Для рас­

чета, конструирования и эксплуатации холодильных машин необхо­

';ЦИМО знать сопротивление материалов, теорию машин и механизмов, jeталей машин, электротехнику.

В последние годы в нашей стране и в ведущих зарубежных странах

на осиове теоретических и прикладных работ в области холодильных машин сформировалось новое научное направление - низкопотенци-

8JJьная энергетика. Оно предусматривает разработку, создание и экс­

;плуатацию высокоэффективных энергосберегающих машин и систем, П03воnяющих вырабатывать холод, теплоту, электроэнергию и полу­

"ть пресную воду за счет альтернативных источииков теплоты (гео­

термальных, грунта, Солнца) и различных видов БЭР. Перечислениым

машинам и системам уделяется большое внимание в данном учебнике.

над созданием первых холодильиых машин работали многие изо­ бретатели, инжеиеры и учеиые. Английский физик и химик Бойль и не­

мецкий физик Герике в конце XVH в. установили, что вода в разре­

жённом пространстве испаряется при иизких температурах. В 1777 г.

Нерн показал, что в условиях вакуума вода замерзает, если удалять

образующиеся водяиые пары (пары поглощались серной кислотой). Эти

ОТКрытия помогли англичаиину Лесли построить в 1810 г. первую ис­

кусственную ледоделку.

. на практике холодильиые машины стали применять только тогда,

1C01'~ вместо воды были найдены более эффективные рабочие вещест­

ва. В 1834 г. английский врач Перкинс построил холодильиую маши-

4

иу, работающую на этиловом эфире, использование которого позволи­

ло получить иизкие,температуры при давлениях кипения более высо­

ких, чем при использовании воды. Машину Перкинса можно считать прообразом совремеВ'ной компрессорной холодильной машины, так как в нее входили все ·иаиболее характерные для этих машии элементы:

сосуд, где вследствие подвода теплоты от внешней среды кипел эфир

при низкой темпеPfl.ТУре, насос (компрессор), сжимающий и направ­

ляющий пары ЭФИра в змеевик, в котором при более высоком давле­ нии и более BblCOкojt температуре происходила их коидеисация. Скои­

денсировавшийся жидкий эфир через специальный дроссельный вен­

тиль вновь направлялся в сосуд (испаритель), где кипел при иизкой

температуре.

В 1871 г. Телье построил машину, работающую на метиловом эфи­ ре. В 1872 г. Бойлю был выдан патент на аммиачную холодильную

машину. В 1881 г. Линде одновременно с Видхаузеном построил угле­ кислотную машину. В 1845 г. американец Горри изобрел газовую (воз­

душиую) холодильную машииу, работа которой бы~а основана иа том, что предварительно сжатый и охлажденный за счщ окружающей сре­ ды воздух расширялся в специальной машине - детандере; при этом

темпеrатура воздуха понижалась.

В862 г. Карре предложил абсорбционную холодильную машину,

основанную иа поглощеиии пара аммиака слабым водоаммиачиым рас­

твором с последующим выпариванием аммиака из раствора при помо­

ЩИ источника иИЗК0l;Iотенциальной теплоты (горячие газы, пар и др.).

В 1884 г. был запатентован принцип пароэжекторной холод~льной

машины: образовавшийся при низкой температуре пар отсасывается и сжимается за счет энергии струи пара того же вещества. Первую

пароэжекторную холодильную машину сконструировал Леблан в 1910 г.

Пельтье в 1834 г. открыл, что при .пропускании электрического

тока через цепь, состоящую из двух проводников, один из спаев ох-

лаждается, а другой нагревается. .

в' России в настояще~ время производят холодильные машины всех типов. над усовершеиствованием существующих и созданием новых

типов холодильных машин работают научно-исследовательские 'и учеб­

ные институты, конструкторские бюро и заводы.

Холодильиые машины применяют в пищевой, мясо-молочной про­

мышленности и сельском хозяйстве для замораживания и хранеиия пищевых продуктов, в химической и нефтеперерабатывающей промыш­

ленности при производстве синтетических волокон, каучука, спирта

и т. д.; для кондиционирования воздуха в цехах промышленных пред­

приятий, в обществеиных и административиых зданиях, в бытовых

помещеииях и пр.; в горной промышленности при проходке неустой­ чивых груитов, в рефрижераторном транспорте; в металлургичес~ой промышлениости для термической обработки сталей и т. д.; В радио­ технике; при испытаниях промышлеиных. изделий и во миогих других

случаях.

В иастоящее время преимуществеНItО используют холодильные ма­

шииы компрессорного типа. При наличии дешевых источников тепло­ ты применяют теплоиспользующие машииы_ Термоэлектрические хо­

лодильиые машины применяют 11 радиотехнике и в ряде специальных

приборов.

.

В развитии теории холодильных машии и создаиии новых их типов

большой вклад внесли российские ученые П. Л. Капица, А. Ф. Иоффе,

А. А. Саткевич, И. И. Левии, В. Е. Цыдзик, С. Я. Герш, Л. М. Розеи­ фельд, А. Г. Ткачев, Ф. М. Чистяков, И. С. Бадылькес, Н. Н. Кошкин,

А. А. Гоголии, Г. Н. Данилова, А. М. Архаров, В. М: Бродянский,

А. В. Быков, И. М. Калнииь, А. С. Нуждии и другие хорошо известиые

в нашей стране и за ее пределами учеиые в области холодильиой техники.

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Холодильная машина является комплексом элементов, при

помощи которых рабочее вещество совершает обратный термо­ динамический цикл за счет затраты работы или теплоты. Про­

цессы в элементах холодильной машины взаимосвязаны, и на

них оказывают влияние как окружающая среда, так и охлаж­

даемые объекты. Поэтому прежде всего необходимо рассмотреть некоторые теоретические положения, лежащие в основе работы любой холодильной машины, и, что особенно важно, взаимо­ действие холодильной машины с источниками теплоты.

§ 1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ П1>ИНЦИПЫ ПОНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В ОБРАТНЫХ ЦИКЛАХ

Температура рабочего вещества в обратном цикле может по­ нижаться при таких процессах, как дросселирование (эффект Джоуля-Томсона), расширение с совершением внешней рабо­ '1'Ы, вихревой эффект (Эффект Ранка-Хильша). Кроме того, для

получения температур ниже окружающей среды применяют: тер­

моэлектрический эффект (эффект Пельтье), магнитокалоричес­ кий эффект и десорбцию газов. Последние два способа приме­ ияют в основном В лабораторной практике для получения тем­ ператур от 4 К до близких к абсолютному нулю. В обратных циклах используют также фазовые превращения рабочего ве­ щества: при подводе теплоты - кипение и сублимацию, а при отводе теплоты - конденсацию и абсорбцию.

Дросселирование (эффект Джоуля-Томсона). Дросселиро­ ванием называют понижение давления рабочего вещества при протекании его через сужение в канале или какое-либо местное сопротивление. Рассмотрим дросселирование рабочего вещества в диафрагме, которая установлена в горизонтальном трубопро­

воде постоянного сечения (рис. 1.1). Теплообменом рабочего ве­

щества с окружающей средой пренебрегаем.

Рассмотрим первый закон термодинамики для любого потока

dqви + dqтр = di + cdc + dh +

+ dlтехи + dlTP '

(1.1)

При внешне адиабатном (dqBH = О) ГQpизонтальном (dh =О) потоке и orreyт­

ствии технической работы (dlтexH =О)

получим

и,

Рис. 1.1. Схема дросселировавия

6

7

 

 

 

 

 

ТZ

dQTP =di + cdc + dlTP'

(1.2)

 

 

 

 

 

,

I

Z

Очевидно, что теплота трения dQTP

 

 

 

равна работе трения dITP' тогда

 

 

rа

 

 

 

di + cdc = О.

(1.3)

 

Так как скорости потока до диа­

 

фрагмы и после нее приблизительно

 

равны, то cdc = О, и тогда di = О или

 

 

 

 

s

после интегрирования

 

 

 

 

 

i2 - i} = О.

 

Рис. 1.2. Измеиение ~итальпии

(1.4)

при дросселироваиии

 

 

 

Таким образом, уравнение (1.4) пока-

зывает, что в результате внешне адиа­

батного дросселирования значения энтальпий рабочего вещест­

ва до и после местного сопротивления одинаковы. Однако при самом дросселировании энтальпия не всегда будет постоянной.

это можно объяснить тем, что при движении через диафрагму (пластину с отверстием диаметром, меньшим диаметра проход­

ного сечения трубы) потока рабочего вещества его скорость по­

вышается, кинетическая энергия возрастает, и, следоватe.;IЬНО,

энтальпия уменьшается. за диафрагмой диаметр проходного се­

чения снова увеличивается, скорость потока замедляется, ~гo

кинетическая энергия уменьшается и.энтальпия увеличивается

до прежнего значения. Эти процессы иллюстрируются диаграм­ мой (рис. 1.2). На рисунке процесс l-а показывает уменьще­

ние энтальпии при падении'давления от Рl до Р2 (скорость при

этом увеличивается), процесс а-2 - торможение потока за диафрагмой, в результате чего кинетическая энергия потока

уменьшается, а энтальпия возрастает до первоначального зна­

чения. Во внешне адиабатном потоке теплота, выделяюЩ8:ЯСЯ при торможении потока, целиком воспринимается самим рабо­

чим веществом.

Рассмотрим теперь, как изменяется температура рабочего ве­

щества при дросселировании.

Используя известное уравнение [26]

 

(дТ/дрМдр/дl)т(дtjдТ)Р = -1,

(1.5)

а также зависимости (дЦдТ)р =Ср: (дt/дp)T =v - T(av/aT)p' по­

лучим

Т(дv/дТ) - v

(дТ/др)/ = Ср р.

(1.6)

Величина (дТ/др)! называется 1Соэффициенmо.м дросселирова­

ния, или дифференциальным дроссельным эффектом а/,

8

(1.7)

Изменение температуры рабочего вещества при дросселирова­

нии при конечном перепаде давлений называется инniегральным

дроссельным эффе1Сmо.м, который определяется из соотношения

Р2

 

2 - 7J.) =Jа/др,

(1.8)

р!.

где Т1 И Т2 - температуры рабочего вещества перед диафраг­

мой и за ней.

АНализ уравнения (1.6) показывает, что знак коэффициента дросселирования определяется знаком стоящей в числителе пра-

вой части уравнения (1.6) величины [Т(дV/дТ)р - v], так как всег­

да Ср > Q.

Очевидно, что если (av/aT)p < тv' то а! < О, и тогда при адиа-

батном дросселировании температура раБОЧ~ГО вещества воз­

растает.

В случае, если (av/aT)p > тv' то а! > О и Т2 - Т1 < О, т. е. тем-

пература рабочего вещества за диафрагмой понижается.

Наконец, если (дv/дТ)p =тv' то а! =О, т. е. темпера~а ра-

бочего вещества при дросселировании не меняется.

. ,. Поскольку для идеального газа pv = RT, следовательно,

(дv/дТ)p =Щр =v/T, тогда а! = О, т. е. идеальный газ дроссели­

р'У'ется без изменения температуры.

Знак коэффициента дросселирования для одного и того же ра~чего вещества может быть различным в зависимости от пара­

метров его состояния.

Состояние рабочегО вещества, при котором a i = О, называет­

ся точкой инверсии эффекта дросселирования, а геометричес­

кое место точек инверсии на диаграмме состояния называется

кривой инверсии (рис. 1.3).

Физическая сущност~ дросселирования состоит в том, что

изменение температуры после диафрагмы обусловливается, во­ Первых, работой, связанной с разностью объемных энергий по­

тока до и после расширения (Рl У1 - Р2У2), и, во-вторых, рабо­ ТОй против внутренних сил притяжения отдельных молекул ра­

бочего вещества.

Действие сил межмолекулярного притяжения вызывает вы­

деление теплоты при сжатии газа и охлаждение при расшире­

JПiи. Работа против внутренних сил проявляется всегда вне за-

9

т

s

Рис. 1.3. Дросселировавие И ИЗ0зитропвое

расширение на S-Т-диаграмме

висимости ОТ того, каким

способом производится

расширение, так как она

определяется только рас­

стоянием между молеку­

лами, т. е. объемами газа

до и после расширения. Коэффициент ДJX)CCели­ рования а; можно выра­ зить через составляющие

изменения темпер~туры,

которые зависят от объ­

емной энергии до и после

расширения (apv), идей­

ствия внутренних сил

(aU)j' т. е.

а" =(аи), + (аpv )" (1,9)

ОсЦовной величиной в коэффициенте ai является (аи)" кото-

, рая всегдаположителъна(вызываетохлаждение). Величина (аpv),

зависит от условий и природы рабочего вещества и может, иметь

положительное или отрицательное значение. Как правило, (аPV)j

мало и не превышает 10-15% значения (аu);.

Дросселирование в обратных циклах в режимах умеренного

охлаждения для наиболее распространенных рабочих веществ всегда имеет коэффициент дросселирования а; > О.

Дросселирование является необратимым процессом, так как

если представить себе процесс дросселирования, идущим в об­

ратном направлении (например, в трубопроводе, показанном на

рис. 1.1, изменить направление движения потока на обратн!>е),

то он по-прежнему будет сопровождаться падением давления.

Так как процесс дросселирования необратим, то энтропия

рабочего вещества при дросселировании всегда возрастает. Из­

менение энтропии можно определить из соотношения [26]

 

112

 

82(i,P2) -

81(t,Pl) = J(a8/ap)jdp,

(1.10)

где (д8/др), :;= - v/T.

 

 

 

112

 

Тогда 82(i,P2)~ 81(i,Pl) =- f(v/T)dp или 82(i,P2) -

81(i,Pl) =

~

~

 

= f(v/T)dp.

 

 

Р2

Из последнего уравнения следует, !то 82 > 81'

. Расширение с соверщением внешней работы. Рабочее веще­

ство может ,совершать работу, если его расширять от давления

Рl до давления Р2 (рис. 1.3) в расширительной машине, т. е.

детандере (процесс 3-5). Для расширения рабочего вещества ис­

пользуют, как правило, центростремительные или осевые детанде­

ры, иногда поршневые. Весьма перспективными являются вин­ товые детандеры, однако исследований в этой области крайне мало.

Рассмотрим, как меняются некоторые параметры состояния ,рабочего вещества при расширении с совершением внешней ра­ боты. Условимся, что расширение осуществляется без внутрен­ них потерь и без теплообмена с окружающей средой, т. е. рас­

ширение идет изоэнтропно, d8 = О, Работа, совершаемая рабо­

чим веществом при расширении, из системы отводится. В этом

случае работа совершается за счет энергии рабочего вещества,

поэтому его температура всегда понижается.

,Понижение температуры определяется производной (дТ/др)в,

которая называется коэффициентом обратимого изоэнтропного

расширения и обозначается а

Уравнение (1.5) для велич~н Т, р, 8 будет иметь вид

(1.11)

ПринимаявовниманиеуравlieнияМаксвелла (avlдТ)Р = -(д8/др)т

И теплоемкости Ср = Т(д8/дТ)р, из урав~ения (1.11) получим

аз = T(av/aT)/cp

(1.12)

ИЗ уравнений (1.6) и (1.12) получим

 

v

(1.13)

аз - а, =- .

Ср

Так-как v и Срвсегда положительны, то в соответствии с (1.13)

аз > ар

(1.14)

В двухфазной области ер = 00, поэтому из (1.13) следует, что

аз=а,.

Таким образом, изоэнтропное расширение в области перегре­

того пара с совершением внешней работы более эффективно

с ТОЧКИ зрения понижения температуры по сравнению с дроссе­

лированием. Для подтверждения этого положения обратимся

крис. 1.3. Здесь дросселирование (процесс 3-4) и расширение

ссовершением внешней работы (процесс 3-5) - процессы, про­

ходящие в области перегретого пара. Если рассмотреть эти же

Процессы в области влажного пара (дросселирование - процесс

6-8, расширение с совершением внешней работы - процесс 6-7),

10

11

станет видно, что понижение температуры в этих процессах оди­

наково. Работа, которую можно получить в процессе 6-7, со­

ставляет незначительное количество по сравнению с работой сжа­

тия от давления Р2 до давления р/. Поэтому дросселирование используют в паровых холодильных машинах (дросселирование в области влажного пара), а расширение с совершением внеш­ ней работы - в газовых холодильных машинах (все процессы в области перегретого пара).

Следует отметить, что для крупных паровых холодильных

машин использование детандера может быть перспективным,

однако исследования таких машин не проводились.

Вихревой эффект. В 1932 г. Ранк' экспериментально доказал,

что температуры движущегося воздуха у оси и на периферии

циклона пылеуловителя различны. В 1946 г. это явление обо­

сновал в своей работе Хильш, после чего оно обрело название эффект Ранка-Хильша.

Наиболее подробно области применения вихревого эффекта

описаны в монографии А. П. Меркулова [36]. Исследованиями этого эффекта занимался также В. С. Мартыновский [35].

Конструкция вихревой трубы, в которой происходит темпера­

турное разделение потока воздуха, чрезвычайно проста (рис. 1.4).

Воздух при температуре окружающей среды и давлении 0,3-0~5 МПа

поступает в цилиндрическую трубу 111 через сопло" 1 по каса­

тельной к внутренней поверхности трубы. Поступивший в тру­ бу воздух совершает вращательное движение, одновременно пе~-

Рис. 1.4. Схемы вихревой трубы: а - примоточвой; (j - противоточвой

12

мещаясь от_сопла 1 к дРОСселю 11. При этом через диафрагму 1У

(или трубу меньшего диаметра) выходит холодный воздух, а че­

рез дроссель 11 по периферии трубы - холодный воздух'. Темпе­

ратура холодного воздуха на 30-70 ос ниже начальной темпера­

туры воздуха.

Большие необратимые потери при расширении воздуха в вих­ ревой трубе предопределяют сравнительно большие энергетичес­

кие затраты, которые значительно превышaroт затраты при изо­

энтропном расширении с совершением внешней работы. Однако

не всегда результат энергетического сопоставления может быть

решающим при оценке холодильных систем.

Исключительная простота и надежность вихревой трубы де­

лают ее в некоторых случаях более предпочтительной, напри­ мер, при периодической потребности в охлаждении на различ­ ных предприят~ях при необходимости малой холодопроизводи­

тельности выгоднее применять простую и надежную вихревую

трубу. .

Термоэлектрический эффект. В технике широко известен эффект возникновения термоЭДС в спаянных проводниках, кон­ такты (места спаев) между которыми поддерживаются при раз-'

личных температурах (эффект 3еебека). В том случае, когда че­

рез цепь двух разнородных материалов пропускается постоян­

ный ток, один из спаев. начинает нагреваться, а другой - ох­

лаждаться. Это явление носит название термоэлектрического эф­

фекта или эффекта Пельтье.

На рис. 1.5 показана схема термоэлемента. Два iIOЛУПРОВОД­

ника n и т составляют контур, по которому проходит постоян­

ный ток от источника питания С, при этом температура холод­

ных спаев Х становится ниже, а температура горячих спаев r

становится выше те1'!!пературы окружающей среды, т. е. термо­ элемент начинает выполнять функции холодильной машины. Тем­ пература спая снижается вследствие того, что под воздействием электрического поля ~леkТРОНЫ, двигаясь из одной ветви термо­

элемента (т) в другую (n), переходят

 

в новое состояние с более высокой

 

энергией. Энергия электронов повы­

t

шается за счет кинетической энергии,

отбираемой от атомов ветвей термо­

 

элемента в местах их сопряжений,

 

в результате чего этот спай (~ ох­

 

лаждается. При переходе с более вы­

 

сокого энергетического уровня (ветвь

 

n) на низкий энергетический уровень

 

(ветвь т) электроны отдают часть

 

СВQ~Й энергии атомам спая r термо-

Источник НU.JKoUfМltln6fЮЛ1VptJi

. элемента, который начинает нагре-

 

Ваться.

Рис. 1.5. Схема термоэлемента

 

 

13

В нашей стране в конце 1940-х и начале 1950-х годов акаде­

миком А. Ф. иоффе и его учениками были проведены очень важ­

ные исследования, связанные с разработкой теории термоэлект­

рического охлаждения. На базе этих исследований была впер­

вые сконструирована и испытана серия охлаждающих устройств.

Энергетическая эффективность термоэлектрических холодиль­

ных машин значительно ниже эффективности других типов хо­

лодильных машин, однако простота, надежность и отсутствие

шума делают использование термоэлектрического охлаждения

весьма перспективным.

§ 1.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАТНЫХ ЦИКЛОВ

Некоторые понятия и определения. Прежде всего необходи­

мо остановиться на понятии tхолод•. Такого понятия в термо­

динамике нет. Это условный термин, который следует понимать

как создание потенциальной возможности восприятия соответ­

ствующего количества теплоты на температурном уровне ниже

окружающей среды. Другими словами, холод - это теплота,

температурный уровень которой ниже температуры окружаю­

щей-среды.,.

В обратных циклах всегда сущ~твуют два источника тепло­

ты: источник низкой температуры (ИИТ) и источник высокой температуры (ИВТ). ИНТ - это тело или среда, оТ которых теп­ лота отводится. К ИНТ можно отнести: охлаждаемый продукт или вещество в технологическом процессе; промежуточный теп­ лоноситель (хладоноситель), например раствор соли в воде (рас­ сол); воздух n охлаждаемой камере и т. д. Температура ИНТ при отводе от него теплоты может быть постоянной или пере­

менной. ИВТ - это тело или среда, к которым теплота подво­

дится. К ИВТ относятся нагреваемое тело или промежуточный теплоноситель, окружающая среда и т. д. Температура ИВТ ~кже может быть постоянной (например, окружающая среда) или переменной (например, нагреваемая вода).

В термодинамической теории большое значение имеет поня­

Тие tокружающая среда•. Окружающая среда характеризуется

прежде всего тем, что ее параметры не за~исят от работы холо­

дильной машины или какой-либо системы. Таким образом, ок­

ружающая среда должна обладать такой теплоемкостью, чтобы

любое воздействие на нее вызывало бы настолько малые измене­

ния температуры, что ими можно пренебречь. В реальных усло­ виях примерами такой среды могут служить атмосферный воз­

дух, вода крупных водоемов, горные породы, грунт и т. д.

Кроме того, параметры окружающей среды должны находиться в полном термодинамическом равновесии. Например, парамет­

ры атмосферного воздуха постоянно меняются, но для инженер­

ных расчетов этим можно пренебречь. Дополнительной характе-

14

ристикой окружающей среды является возможность реализовать теплообмен между рабочим веществом обратного цикла и окру­ жающей средой без существенных затрат.

Классификация обратных циклов. В соответствии со вторым

законом термодинамики перенос теплоты от ИНТ к ИВТ возмо­ жен при условии подвода энергии извне. Согласно первому за­ кону теРМО,l(инамики количество теплоты Q, отдаваемой ИВТ,

равно сумме количества теплоты Qo, отведенной от ИНТ, и теп­

лового эквивалента энергии L, подведенной извне, т. е.

Q = Qo + L,

(1.15)

или для 1 кг рабочего вещества

q = qo + l.

Перенос теплоты от ИНТ к ИВТ осуществляется с помощью

рабочего вещества (холодильного агента). Термодинамические и физические свойства рабочего вещества оказывают значитель­

ное влияние на показатели обратных циклов. Рабочее вещество

совершает обратный цикл за счет механической или другого вида энергии. Различают три разновидности обратных циклов: холо­ дильный цикл, цикл теплового насоса, а также комбинирован­

ный (или) теплофикационный цикл.

Холодильная машина работает по холодu.льн,о.му цuклу и слу­

жит для охлаждения какой-либо среды или поддержания низ­

кой температуры в охлаждаемом помещении в том случае, когда

теплота от источника низкой температуры (охлаждаемого объ­

екта) передается окружающей среде. Такой цикл показан на

рис. 1.6. В процессе 4-1 (цикл 1) теплота qo подводится к ра­ бочему веществу от источника низкой температуры, в процессе 1-2 рабочее вещество сжимается и к нему подводится тепловой эквивалент работы компрессора lK' В процессе 2-3 от рабочего

вещества отводится в окружающую среду теплота q, в процессе

3-4 расширяется рабочее вещество с сов~ршением работы l .

Согласно первому закону термодинамики работа, необходим'я

для совершения цикла,

(1.16)

Так как в компрессоре рабо­

та затрачивается, а при. расши­

рении ее можно получить, тог­

да работ~ цикла.

=lK - lp'

(1.17)

Для определения энергети­

ческой эффективности холо­

дильного цикла вводится холо-

т

 

 

s

 

Рис. 1.6. Обратиые циклы:

1 -

холодильный; II - теплового насос&;

III -

комбинированный

15