Контрольные вопросы к XX главе

1. Какие вещества применяются в реакторах для получения вну­триядерной энергии?

2. Когда и где была построена первая атомная электростанция; дать описание ее цикла.

3. Дать описание двухконтурной атомной установки.

4. Какие вещества применяются в реакторах в качестве теплоноси­телей?

5. Почему пока нельзя получить высокий к. п. д. в атомной элек­тростанции? ¹

6. Где производится перегрев пара в атомной установке?

7. По какому циклу можно получить максимальный к. п. д. тепло­вого двигателя?

8. Почему к. п. д. установки повышается при применении парога­зового цикла?

9. Дать описание парогазового цикла.

10. Дать описание парогазовой установки с высоконапорным паро­генератором.

10. Что такое высокотемпературная и низкотемпературная цлазма?

10. Дать описание газовой магнитогидродинамической установки.

11. Какие методы применяются для повышения ионизации газа?

Глава XXI циклы холодильных установок

§ 21-1. Основные понятия о работе холодильных установок

В соответствии со вторым законом термодинамики (см. гл. VIII) отмечалось, что при обратном цикле Карно можно, затрачивая механи­ческую работу, отнять теплоту от источника с низкой температурой и перенести ее к источнику с более высокой температурой. Машины, не­прерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окру­жающей среды, называют холодильными,'

Искусственное охлаждение помещений и различных тел находит широкое применение в народном хозяйстве (при строительстве подзем­ных железных дорог, в угольных бассейнах, в горных рудниках, в хи­мической и газовой промышленностях, на машиностроительных заво­дах, где производится термическая обработка деталей машин при.низ­ких температурах). Холод имеет огромное значение для сохранения пищевых продуктов. Кондиционирование воздуха создает благоприят­ные условия в производственных и общественных зданиях и т. д. Для получения холода используются различные установки, в которых при­меняют в. качестве рабочего тела газообразные тела.

Холодильные установки можно разделить на две группы. К пер­вой группе относятся газовые или воздушные установки, в которых впервые было осуществлено промышленное получение холода. Ввиду малого холодильного эффекта и больших габаритов отдельных аппа­ратов такие установки не получили широкого распространения.

Ко второй группе относятся компрессорные» паровые установки. Рабочим телом (холодильным агентом) в них являются пары различных веществ: аммиака (ЫН₃), углекислоты (С0₂), сернистого ангидрида (50₂), фреонов- (фторохлорпроизводные углеводородов), характер­ным представителем которых является фреон-12 (СР₂С1₂) и др. Паро­вые холодильные установки, обладающие большой надежностью дей­ствия, получили в промышленности самое широкое распространение.

Кроме газовых и паровых существуют холодильные установки, ос­нованные на других принципах: пароэжекторные и абсорбционные. В них для производства холода затрачивается не механическая работа, а теплота какого-либо рабочего тела с. высокой температурой.

В пароэжекторной холодильной машине для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи рабочего пара произ­вольного вещества. Пароэжекторная холодильная установка отличает­ся невысоким термодинамическим совершенством и в промышленности применяется реДко. Более иШрбкбе распространение получили абсор­бционные холодильные установки. В них для получения холодильного эффекта используется (как и в пароэжекторных) [^энергия в виде теплоты.

Холодильная установка в отличне от теплового двигателя работает по обратному, или холодильному, циклу, наиболее совершенным ти­пом которого является обратимый обратный цикл Карно (рис. 2М).

2		? С/
	| і \
1	—^	и
	/ Яг	т
5

В процессе 1-4 к холодильному .агенту подводится теплота д₂, от­нимаемая от охлаждаемых тел; она изображается пл. 51465. В процес­се 2-3 от холодильного агента отводится теплота 7,, изображаемая

пл. 23652. Эта теплота передается верхнему источнику теплоты при температуре, равной постоянной температуре в процессе 3-2. Пл. 12341 эквивалентна затрачиваемой меха­нической работе.

Показателем совершенства обратного цик­ла является холодильный коэффициент

є = д₂/1.

•Чем больше отнимается теплоты д₂ и чем _{Рис 9}|_| меньше при этом затрачивается механиче-

" ской работы или чем больше 8, тем совер­шенней будет холодильный цикл. Холодильный коэффициент про­извольного обратного цикла меньше по сравнению с холодильным коэффициентом обратного цикла Карно.

§ 21-2. Циклы воздушных, пароэжекторных и абсорбционных холодильных установок

На рис. 21-2 изображена схема воздушной холодильной установки, где в качестве рабочего тела применяют воздух, являющийся наиболее удобным, безвредным и доступным рабочим телом. Воздушная холодиль­ная установка работает следующим образом. Воздух, охлаждающий по­мещение /, сжимается в компрессоре 2, в результате чего температура его увеличивается. Сжатый воздух при постоянном давлении нагнетается в теплообменник 3, в котором охлаж­дается водой до температуры окру­жающей среды. После .этого сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр, или детандер 4, где рас­ширяется до- начального давления. При расширении температура воз­духа падает до -^0 или —70° С и хо­лодный, воздух направляется для ^охлаждения помещения, где, на­греваясь, опять поступает в компрессор.

Идеальный цикл воздушной холодильной установки представлен в ро- и Тя-диаграммах (рис. 21-3 и 21-4).

Воздух в процессе 1-2 адиабатно сжимается от давления р_г дор₂. В изобарном процессе 2-3 от воздуха отводится теплота внешнему ис­точнику, и температура его понижается от Т₂ до Т₃. При адиабатном расширении в процессе 3-4 воздух дополнительно охлаждается от тем­

рпературы Т₃ до Т₄. Далее в изобарном процессе 4-1 происходит "отвод |?тёплоты от охлаждаемого помещения (теплоотдатчика), в,результате Йего воздух нагревается от 7*₄ до Т_х.

рГ*. Работа, затрачиваемая на осуществление цикла, равна разности те-^ плоты Ях и д₂. Считая теплоемкость постоянной, имеем

I ■ 71 = ^ср (^т2 — Т₃), д₂ = с_р (Т_х '— 7/4),

I = а_х — д₂ = с_р (Т₂ — Т₃) — Ср (Т_х — Т_л). , Тогда холодильный коэффициент цикла равен-

■ Из адиабатных процессов 1-2 и 3-4

= (р*/р№-¹»*, _щ

777\ = (р₂/р_хУ^к-^л»^к и Г₃/Г₄ но р₂ = рз, а р_х = р₄, тогда

7у7\ = Г₃/Г₄ или по свойствам пропорции

(7¹, - Т₃)1(Т_Х - Г₄) =Т₂/Г₁ = Т₃1Т,.

»

Окончательно имеем

^{£ =} _{;г/-Д 1 =}^т_{г/(Тл-Т^ : (21-1)}

(12/11)— 1

где -Т¹! — температура охлаждаемого ' помещения или температура воздуха, засасываемого в компрессор; Г₂ — температура сжатого воздуха. ' ■ ■

- Цикл воздушной холодильной установки внешне необратим, так как отвод теплоты осуществляется в окружающую среду с постоянной Температурой, в пределе равной Т₃. Подвод теплоты происходит от ох­лаждаемого помещения,'в котором должна поддерживаться постоянная температура, не превышающая Т_х. Таким образом, из-за несовер­шенства цикла воздух после компрессора должен перегреваться на разность температур Т₂ — Т₃ и охлаждаться ниже температуры охлаждаемого помещения на величину Т_х — Г₄. Наиболее совершен­

ным процессом отвода теплоты был ■ бы изотермный процесс 5-3 (рис. 21-4), а процессом подвода теплоты — изотермный процесс 6-1. При этом указанные процессы можно было бы в пределе провести обратимо. Но цикл 1-5-3-6-1 будет обратимым циклом Карно. Следо- вательно, лишний раз подтверждается, что обратимый обратный цикл Карно является наиболее совершенным циклом холодильной уста- новки. . -

По сравнению с циклом Карно в идеальном цикле воздушной холо­дильной установки дополнительно затрачивается работа, равная сумме пл. 2352 и 1641. При этом количество теплоты, отбираемой от охлажда­емого помещения за один цикл, будет мень­ше на величину пл. 1641 по сравнению с теп­лотой в цикле Карно.

Холодильный коэффициент эквивалентно­го обратного цикла Карно, как это следует из рис. 21-4, равен

є„ = ЯгЧ = <?2% - <?₂) = Т_х (Т₃ - 7\),

поскольку' Гз < Т₂, то. е_к > е.

Цикл воздушной холодильной установки Рис. 21-5 является термодинамически несовершенным,

а установка малоэкономична и громоздка. На рис. 21-5 изображена схема пароэжекторной холодильной уста­новки. Пар рабочего тела из испарителя / поступает в камеру смешения эжектора 2. В эту же камеру череасопло подается пар из котла 6. Полу­ченная в камере смесь пара сжимается в диффузоре эжектора й посту­пает в конденсатор 3, где, отдавая теплоту парообразования, полностью конденсируется. При выходе из конденсатора жидкость разветвляется на два потока. Один поток жидкости дросселируется в регулирующем вентиле 4. Там происходит падение давления и температуры, а неболь­шая часть жидкости превращается в пар. Полученный влажный пар с малой степенью сухости (до 10%) поступает в испаритель / и явля­ется холодильным⁴ агентом. Другой поток конденсата направляется • питательным насосом 5 в котел 6, где вследствие подведенной извне теплоты превращается в пар и снова поступает к соплу эжектора.

В испарителе / холодильный агент — влажный пар, получая теп­лоту охлаждаемых тел, при постоянном давлении испаряется и в виде сухого пара подается в камеру смешения эжектора, и цикл повторяет­ся. В пароэжекторной холодильной установке энергия затрачивается не в форме механической работы, а в форме теплоты. Холодильный-коэффициент пароэжекторной холодильной установки определяется уравнением

в,=*<7«/?1, (21-2)

где <?₂ — количество теплоты, подводимое к холодильному агенту в ис­парителе на 1 кг холодильного агента; <7_Х — количество теплоты, под­водимое к пару в паровом котле на 1 кг холодильного агента.

Существенным преимуществом пароэжекто'рных холодильных ус­тановок является отсутствие дорогого компрессора- Кроме того,

рни отличаются простотой, надежностью в работе И малыми размерами Евсех агрегатов, но термодинамическое совершенство и тепловая эконо­мичность их невысокие. Используя соответствующее рабочее тело, Рйароэжекторная холодильная установка позволяет получать весьма | низкие температуры.

Следующим представителем холодильных установок является аб­сорбционная холодильная установка. Абсорбцией называется процесс ^"поглощения всей массой одного тела другим. Абсорбционные холо-¹ дильные установки существенно отличаются от всех других холодиль­ных установок простотой конструкции. Холодильный эффект в абсорб-I ционных установках получается не за счет затраты энергии в форме ; механической работы, а осуществляет-" ся за счет энергии в форме теплоты. : Для абсорбционной установки под­бираются растворы двух тел, полно­стью растворенных друг в друге и от­личающихся разными температурами кипения. Легкокипящая жидкость ис­пользуется как холодильный агент, а, другая жидкость с высокой темпера­турой кипения—как абсорбент.

Температура- кипения бинарного раствора при данном давлении за­висит от концентрации раствора. Изображение свойств ' бинарных си­стем производят на так называемых диаграммах состояния, где по оси

абсцисс откладывается концентрация холодильного агента С, а по оси ординат — давление р или температура / (рис. 21-6). Начало коор­динат соответствует температуре кипения чистого вещества абсорбен­та — точка А (Сх — 1; С₂ — 0), а точка В — температуре чистого ве-'щества холодильного агента (С₂ = 1; С_х — 0; С_г + С₂ — 1). Кривая АаВ представляет собой состояние жидкой фазы или линию кипящего раствора при данном давлении, а кривая АЬВ — линию конденсации (сухого насыщенного пара) или линию газообразной фазы при равно­весном сосуществовании обеих фаз.

Рассмотрим процесс парообразования бинарной смеси в/С-диаграм-ме. Допустим, что начальное состояние исследуемой смеси характери­зуется точкой 1 с концентрацией С_х'и температурой ^, Если к данному раствору подводить теплоту, то ее температура будет возрастать по линии 1-2. В точке 2, расположенной на кривой кипящей жидкости, раствор закипит и температура сухого насыщенного пара в точке 2" будет равна температуре жидкости. Состав пара в точке 2" значительно отличается от состава кипящей жидкости в точке 2, Следовательно, .в точке 2 находятся кипящая жидкость состава 0₂> и находящийся в равновесии сухой насыщенный пар состава С₂», Причем С₂» >> С₂-, 1, При дальнейшем подводе теплоты в кипящей жидкости уменьшает­ся содержание второго компонента, а процесс парообразования соот­ветствует линии 2-3. В точке 3 раствор представляет систему, состоя­

щую из кипящей жидкости (точка 3') состава С'з- и сухого насыщен­ного пара (точка 3") состава Су, причем с₃» >С₃',.С₃- и С₃» пред­ставляют собой равновесные составы соответственно жидкости и пара для давления р и температуры кипения £₃' = 1₃», Если подводить теплоту и далее, что можно достичь точки 4, в которой раствор будет полностью переведен в сухой насыщенный пар, причем состав этого пара тот же, что и начальный состав жидкой смеси (С₄» -= С), Кипящая жидкость, равновесная с сухим насыщенным паром состава С₄», имеет

состав С₄'. При дальнейшем подводе теп-

"Х^. ^лоты будет происходить перегрев пара

I . ^? (^1 (^точка"^)-.

■'. Таким образом, если в испарителе, по- { 3 X мещенном в охлаждаемом помещении, об- разуется насыщенный пар с высокой кон- центрацией С₂", состояние которого изо- • бражается тонкой 2", то этот пар может находиться в равновесий с кипящей жид- костью, имеющей концентрацию С₂-. По отношению к жидкости с меньшей концен- трацией с₄' <с₂', кипящей при темпера- туре /₄, этот пар является переохлажден- Рис. 21-7 ' ным; поэтому при соприкосновении их

начнется конденсация_ пара, следствием которой будет полное поглощение или абсорбция пара жидко­стью. При этом теплота конденсации будет отводиться при тем­пературе жидкости более высокой, чем температура пара ^₂. "В "ре­зультате будет происходить переход теплоты от тела менее нагретого (пара высокой концентрации) к телу более нагретому (жидкости низ­кой концентрации).

В соответствии с изложенным принципиальная схема абсорбцион- ной установки имеет вид, показанный на рис. 21-7. Работа абсорбцион- ной холодильной установки протекает следующим образом. В паро- генераторе /,ч]ри подводе теплоты <?!, холодильный агент выпаривается из бинарной смеси и в виде почти сухого насыщенного пара направляет- ся в конденсатор 2, где полностью конденсируется, отдавая теплоту парообразования охлажающёй воде. Холодильный агент- в виде жидкости дросселируется в регулирующем вентиле 3, при этом давле- ние его уменьшается и температура жидкости падает до температуры, более низкой, чём температура охлаждаемого помещения 4. Получая теплоту <?₂ от охлаждаемых тел,-агент испаряется, превращаясь во влажный пар и поступает в абсорбер 5, где, отдавая теплоту абсорбции охлаждающей воде,* полностью поглощается абсорбентом. При абсорб- ции агента абсорбентом раствор большой концентрации подается На- сосом 6 в парогенератор, где вследствие подводимой извне теплоты <?! агент выпаривается из раствора и направляется в конденсатор 2. ' Абсорбент со слабой концентрацией агента через дросселирующий вен- тиль 7, где давление и температура смеси падают, направляется в аб- сорбер 5. В абсорбере концентрация агента повышается и он снова направляется насосом 6 в парогенератор, • "'

^•Холодильный коэффициент, или степень использования теплоты Ёсорбционной холодильной установкой, определяется из уравнения

« = Ягісіи (21-3)

Ші д_г — количество теплоты, полученное хладоагентом от охлаждае-рх тел; Ці — количество теплоты, затраченное в парогенераторе.

Холодильный коэффициент есть отношение теплоты, полученной от. охлаждаемых тел, к затраченной теплоте в парогенераторе.

Абсорбционные холодильные установки термодинамически менее Совершенны, чем паровые, но они просты, надежны^ дешевы в изготов­лении и поэтому получили широкое распространение, например при изготовлении домашних холодильников.

§ 21-3. Цикл паровой компрессорной холодильной установки

Наибольшее распространение для охлаждения тел до температуры I—20° С получили холодильные установки, в которых холодильным аген­том являются легкокипящие жидкости — аммиак, фреоны, сернистый ангидрид и другие при невысоких давлениях (желательно близких к атмосферному).

/ИЛМЛ

Рис. 21-8

Схема холодильной компрессорной установки, работающей на парах аммиака (ЫН₃), представлена на рис. 21-8. На"этой схеме / — ком­прессор; 2 — конденсатор; 3 — дроссельный вентиль; 4 — охлаждае­мое помещение (испаритель).

В компрессоре сжимается аммиачный сухой насыщенный пар или влажный пар с большой степенью сухости по адиабате 1-2 до состояния перегретого пара в точке 2-(рис. 21-9). Из компрессора пар нагнетает­ся в конденсатор, где полностью превращается в жидкость (процесс 2-3-4). Из конденсатора жидкий аммиак проходит через дроссельный вентиль, в котором дросселируется, что сопровождается понижением температуры и давления. Затем жидкий аммиак с низкой температурой поступает в охладитель, где, получая теплоту (в процессе 5-1) исга-ряется и охлаждает рассол, который циркулирует в охлаждаемых ка­мерах. Процесс дросселирования как необратимый процесс изобра-^ жается на диаграмме условной кривой 4-5.

В паровой компрессорной установке не применяется расширитель­ный цилиндр (детандер), а рабочее тело дросселируется в регулиро­вочном вентиле? Замена расширительного цилиндра дросселем сопро­вождается возрастанием энтропии, что вызывает некоторую потерю холодопроизводительности, по эта замена значительно упрощает ус­тановку и дает возможность легко регулировать давление пара и полу­чать необратимую температуру в охладителе, так как в области двух­фазных состояний эффект охлаждения п.ри дросселировании будет та­ким же, как'и при адиабатном процессе расширения. При наличии рас­ширительного цилиндра процесс пошел бы по адиабате 4-9. Потеря холодопроизводительности от замены расширительного цилиндра дроссельным вентилем измеряется пл. 95769, поэтому количество теп­лоты д₂, получаемое 1 кг аммиака от охлаждаемых тел, уменьшается и изображается пл. 75187 (г\ — г₆) = (к — г₄). Количество теплоты <?',, отведенное охлаждающей водой в конденсаторе, изображается пл. 64286. Работа, затраченная на совершение цикла, /' = <?1 — <7₂ = = пл. 6412576 = пл. 1041210 = к — г₂. Равенство пл. 6412576 и 1041210 следует из условия, что в результате дросселирования аммиака энтальпия в точке 5 будет равна энтальпии в точке 4.

Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки

_е = <7,//'.= (пл. 75187)1{ш. 1041210),

где <?₂ = к — г₅ = г'1 — к — количество теплоты, воспринимаемое аммиачным паром в охладителе; /' = /₂ — к — работа, затраченная при адиабатном сжатии пара в компрессоре.

Отсюда холодильный коэффициент установки равен _ч

е = {к - кУ(к — к)- (21-4) Значения энтальпий в уравнении (21-4) определяют по «-диаграмме или по таблицам для аммиака. Паровые холодильные установки имеют большое преимущество перед воздушными. Они компактны, дешевы и имеют более высокий холодильный коэффициент.

§ 21-4. Глубокое охлаждение

Сжижение газов имеет для народного хозяйства весьма важное значение. Чтобы превратить в жидкость какой-либо газ, необходимо его температуру сделать ниже параметров критической точки. Только в этом случае возможно одновременное равновесное сосуществование жидкой и газообразной фаз. Сжижение газов можно осуществить с по­мощью машины, совершающей обратный или холодильный цикл. Тео­ретически наименьшая механическая работа будет затрачена в обрати­мом цикле.

Допустим, что газ охлаждается от температуры 7\ (точка 3, рис. 21-10) до температуры Т₂ (точка /). Газ от состояния в точке 3 изотермио сжимается (точка 4), причем теплота ц_х = Т_х (§_г —' 5₄) переходит к окружающей среде. В результате следующего адиабатного •■расширения (точка /, процесс 4-1) получается сжиженный газ. По та­кой схеме затрачивается только минимальная работа /_мии. Минималь­

щя работа сжижения равна сумме работ, затрачиваемых для охлажде-шп газа и отнятия от него полной теплоты парообразования:

'мин ~ 4-2 'г-1-

Минимальная работа идеального цикла на рис. 21-10 изображается

Изл. 32143 и равна разности двух площадей: пл. 37543, равной произве-

I " ^т_г> ■

йению 7*1 (5, — 5₅), и пл. 321573, равной <7₂ = .1 с_рйТ + г = 1₃ — 1_и

откуда

'мин ⁼ Т-1 (5₇ :— 5₅) — (г₃ — 1_Х),

■;, Работа, необходимая для сжижения газа, в реальном цикле будет затрачена большая, чем в идеальном, на величину, определяемую поте­рей работоспособности вследствие.необ­ратимости процесса:

'нСОбР ⁼ 'обр "Г" ТдАЭ,

где Т₀ — температура окружающей среды.

Идеальный цикл практически неосу­ществим, так как для получения состо­яния в точке 4 необходимо создавать давление в десятки и сотни бар, чтобы при адиабатном процессе 4-1 попасть на пограничную кривую жидкости. Поэтому _рис реализовать этот цикл" не представляет­ся возможным*.

В настоящее время холодильная техника для сжижения газов рас­полагает большим количеством самых разнообразных аппаратов, в ко­торых используется два метода: эффект дросселирования (эффект Джоу­ля — Томсона) и адиабатное расширение газа" с отдачей внешней ра­боты.

Впервые цикл высокого давления с однократным дросселированием был осуществлен К. Линде ив технике известен как цикл'Линде. В ус­тановке Линде используется регенеративный принцип, который за­ключается в непрерывном понижении температуры при дросселиро­вании для последующего охлаждения новой .порции газа. Процесс не­прерывного понижения температуры продолжается до тех пор, пока не наступит температура сжижения газа.

На-рис. 21-11 показана простейшая схема установки высокого дав­ления с однократным дросселированием для сжижения воздуха по методу Линде. В компрессоре / воздух сжимается адиабатно от давле­ния р_г до р₂, причем температура возрастает с к до /₂. Сжатый воздух охлаждается водой в холодильнике 2 до температуры /_х. Охлажден­ный сжатый воздух при давлении р₂ поступает в противоточный тепло­обменник 3, где охлаждается до температуры /₃ холодным воздухом.