9754

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.А. Зац

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОЖИДКОСТНЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛОТЫ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине

«Основы трансформации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки

13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.А. Зац

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПАРОЖИДКОСТНЫХ КОМПРЕССИОННЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТЕПЛОТЫ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным и практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине

«Основы трансформации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки

13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника

Нижний Новгород

2016

УДК 621.59.01

Дыскин Л.М. Анализ эффективности парожидкостных компрессионных трансформаторов теплоты [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.А. Зац; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 56 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: техническая термодинамика, теплопередача, термодинамические процессы, трансформатор теплоты, тепловая энергия, эксергия, тепловой насос.

Приведены теоретические сведения о циклах трансформаторов теплоты различного назначения. Даны методики расчета холодильных и теплонасосных установок, включающие анализ их эксергетической эффективности.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным и практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) и выполнению курсовой работы по дисциплине «Основы трансформации теплоты» для обучающихся по направлению подготовки 13.03.01. Теплоэнергетика и теплотехника.

© Л.М. Дыскин, М.А. Зац, 2016 © ННГАСУ, 2016

3

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. Основные термодинамические зависимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2. Энергетические характеристики реальных трансформаторов теплоты. .13 3. Методика расчета холодильной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4. Методика расчета теплонасосной установки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 5. Контрольные вопросы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Приложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4

Введение

Трансформаторами теплоты (термотрансформаторами) называют уст-

ройства, в которых происходит переход энергии в форме теплоты от источ-

ников теплоты (теплоотдатчиков) с относительно низкой температурой к приемникам теплоты (теплоприемникам) с более высокой температурой, та-

кой переход называют повышением потенциала теплоты.

В соответствии со вторым законом термодинамики такой переход теп-

лоты не может происходить самопроизвольно. Он возможен только при за-

трате внешней энергии (электрической, механической, химической, кинети-

ческой потока рабочего тела и др.).

Термотрансформаторы классифицируют в зависимости от положения температурных уровней: верхнего Тв теплоприемника и нижнего Тн теплоот-

датчика по отношению к температуре То.с. окружающей среды, которую обычно принимают равной 20°С (293 К).

Если температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей сре-

ды Тн < То.с., а теплоприемника равна этой температуре Тв = То.с., термотранс-

форматор называют рефрижератором (класс R – refrigeration).

Если Тн ≥ То.с. и Тв >То.с., термотрансформатор называют тепловым насо-

сом (класс H – heat).

Если Тн < То.с. и Тв >То.с., термотрансформатор называют комбиниро-

ванным (класс RH), т.к. он осуществляет обе функции – рефрижератора (ох-

лаждает источник теплоты ниже температуры окружающей среды) и тепло-

вого насоса (нагревает теплоприемник выше температуры окружающей сре-

ды).

В некоторых случаях, например, если теплоотдатчиком является атмо-

сферный воздух с отрицательной температурой, термотрансформатор работа-

ет только в режиме теплового насоса.

5

Рефрижераторы служат для выработки холода, т.е. для отвода теплоты

в окружающую среду от объектов, температура Тн которых ниже температуры То.с. окружающей среды. В зависимости от уровня Тн рефриже-

раторы делят на две подгруппы: при Тн ≥ 120 К соответствующие установки называют холодильными, при Тн < 120 К – криогенными.

Теплонасосные установки служат для использования теплоты, отводи-

мой от окружающей среды или другого низкопотенциального источника (на-

пример, отработавшей воды или пара), для теплоснабжения и отопления по-

мещений различного назначения.

По принципу работы термотрансформаторы разделяют на два вида: 1) термомеханические, работа которых основана на использовании процессов повышения и понижения давления рабочего тела и 2) электромагнитные, ра-

бота которых основана на использовании постоянных или переменных элек-

трического или магнитного полей.

Установки первого вида наиболее распространены и, в зависимости от способа повышения давления рабочего тела, делятся на три группы: ком-

прессионные, сорбционные и струйные.

Работа компрессионных установок основана на повышении давления посредством механического или термического воздействия на рабочее тело.

Компрессионные установки делятся на парожидкостные, газожидкостные и газовые.

В парожидкостных и газожидкостных установках агрегатное состояние рабочего тела в процессе работы изменяется (конденсация сжатого и испаре-

ние расширенного тела). В парожидкостных установках сжатие рабочего тела ведется при температурах ниже критической (в области пара) и близких к ней, в газожидкостных – при температурах, значительно превышающих кри-

тическую (область газа).

В газовых установках агрегатное состояние рабочего тела не изменяет-

ся, поскольку во всех точках цикла его температура выше критической.

6

В компрессионных устройствах используется электрическая или меха-

ническая энергия. В термодинамических компрессорах сжатие осуществляет-

ся путем использования потока теплоты с температурой Т >> То.с..

Работа сорбционных установок основана на повышении давления ра-

бочего тела при последовательном осуществлении термохимических реакций поглощения (сорбции) рабочего тела соответствующим сорбентом с отводом теплоты, а затем выделения (десорбции) рабочего тела из сорбента, сопрово-

ждающегося подводом теплоты.

Струйные установки основаны на использовании кинетической энергии потока пара или газа для повышения давления рабочего тела.

В настоящее время основное промышленное применение находят тер-

мотрансформаторы компрессионного, сорбционного (абсорбционного) и

струйного (эжекторного) типов. Особенно широко используются компресси-

онные установки.

В данной работе рассматривается энергетический и эксергетический анализ парожидкостных компрессионных холодильной и теплонасосной ус-

тановок.

7

1. Основные термодинамические зависимости

Изучение процессов преобразования энергии в трансформаторах тепло-

ты целесообразно выполнять методом эксергетического анализа, который по-

зволяет наиболее объективно определить энергетическую эффективность ус-

тановки в целом и отдельных ее элементов.

Эксергия Е системы в данном состоянии равна количеству L меха-

нической или другой полностью превратимой в другие виды энергии,

которую можно получить от системы в результате ее обратимого перехо-

да из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.

В процессах трансформации теплоты используются в общем случае следующие виды энергии: электрическая или механическая, энергия потоков вещества (газа, пара или жидкости) и энергия, передаваемая в виде теплового потока.

Эксергия механической и электрической энергий равна количеству этих энергий, т.е. величине соответствующей работы Е = L, поскольку эти энергии полностью преобразуются в любую другую энергию.

Эксергия теплоты Еq меньше количества теплоты Q, поскольку в соот-

ветствии со вторым законом термодинамики в круговом процессе (цикле)

всю теплоту невозможно преобразовать в механическую работу.

Максимально возможную механическую работу, равную эксергии,

можно получить от теплового потока путем использования его в обратимом цикле Карно. Если температура Т подвода теплоты выше температуры окру-

жающей среды (Т > То.с.), необходим прямой цикл, а при Т < То.с. – обратный цикл.

8

где τe – коэффициент работоспособности теплоты (эксергетическая темпера-

турная функция), равный количеству работы, которую можно получить в идеальном прямом цикле от единицы теплоты. Очевидно, величина τe равна термическому КПД прямого цикла Карно.

Для прямого цикла Карно (рис 1.1а) Т > То.с., отношение температур

0 ≤ То.с. / T ≤ 1, поэтому величина τe является правильной дробью, т.е 0 ≤ τe ≤ 1.

Для обратного цикла Карно (рис 1.1б) Т ≤ То.с., отношение температур

То.с. / T ≥ 1, поэтому τe ≤ 0. Если Т < То.с., коэффициент τe < 0. Отрицательное значение этого коэффициента указывает на то, что при обратном переносе теплоты от Т до То.с. > T необходима затрата внешней энергии.

Рис. 1.1. Циклы Карно: а – прямой; б – обратный

Таким образом, при Т > То.с. знаки τe и Q одинаковые (положительные).

Это означает, что поток эксергии теплоты Еq и тепловой поток Q направлены в одну сторону. При Т < То.с. знаки τe и Q различны (τe < 0, Q > 0). Это означа-

ет, что эти потоки направлены в противоположные стороны (теплота от ох-

лаждаемого тела, эксергия к охлаждаемому телу).

9

Если Т << То.с., абсолютная величина τe может значительно превышать единицу |τe| >> 1. При Т, стремящейся к 0, величина τe стремится к минус бесконечности (Т → 0, τe → – ).

Если Т = То.с., коэффициент работоспособности теплоты τe = 0. Это оз-

начает, что цикл не производит и не затрачивает работу, т.е. не существует.

В уравнениях (1.3) и (1.4) величины без индексов являются параметра-

ми потока, находящегося в состоянии, неравновесном с окружающей средой;

величины с индексом «о.с.» – параметры потока, находящегося в состоянии,

равновесном с окружающей средой; То.с. – температура окружающей среды.

Идеальным циклом компрессионных трансформаторов теплоты при постоянных температурах теплоприемника и теплоотдатчика является обрат-

ный цикл Карно. В парокомпрессионных установках такой цикл совершается в области влажного пара между левой и правой пограничными кривыми ра-

бочего тела.

Принципиальная схема идеального парожидкостного компрессионного трансформатора теплоты, работающего по циклу Карно, и процессы его ра-

боты на Т-s и h-s диаграммах показаны на рис. 1.2.

Рабочее тело в виде влажного пара поступает из испарителя IV в ком-

прессор I в состоянии 1 при температуре теплоотдатчика Tн и соответствую-

щем давлении насыщения рн рабочего тела. В компрессоре пары рабочего тела сжимают адиабатно до состояния 2 сухого насыщенного пара. В процес-

се сжатия температура рабочего тела повышается до температуры Tв тепло-

приемника, а давление – до соответствующей этой температуре величины рв

давления насыщения.