* С. Я. Г е р ш. Глубокое охлаждение. Госэнергоиздат, 1957, стр. 85.

После теплообменника охлажденный сжатый воздух дросселирует­ся в дроссельном вентиле 4 до давления р_ъ при этом температура воз-

духа падает до /₄. Газ при /₄, проходя.через теплообменник, нагре> вается до к, отнимая теплоту от воздуха высокого давления, темпера тура которого понижается до г₃. Воздух после ^теплообменника с тем пературой (_х снова идет в компрессор, и цикл непрерывно повторяется Сжатвш газ через теплообменник направляется к дроссельному вен тилю, в котором происходит непрерывное дросселирование воздуха Наконец, охлаждение воздуха высокого давления будет столь значи тельным, что после очередного дросселирования он превращается во влажный пар, из которого можно отделить небольшую часть жидкого

воздуха. На этом заканчивается пред-' верительный пусковой период и на­чинается процесс сжижения воздуха в установившемся состоянии.

На рис. 21-12 изображен процесс постепенного охлаждения воздуха на Те-диаграмме.

Изотермно сжатый от состояния в точке / до состояния в точке 2 газ дросселируется в вентиле, в результате чего температура газа по­нижается до состояния в точке 3. Температура состояния в точке 3 на несколько градусов ниже температуры среды Т. Весь дросселирован­ный газ (состояние в точке 3) направляется в противоточный регене­ратор, где он охлаждает новую порцию газа сжатого от давления р± до р_% (состояние в точке 4). Если затем охлажденный газ' этого состоя­ния также подвергнуть дросселированию, то будет получен газ (точка 5) с более низкой температурой. Газ состояния в точке 5 в свою очередь используется для охлаждения сжатого газа уже до состояния в точке 6, а в результате дросселирования достигается состояние в точке 7 и т. д.. Через некоторое время газ будет иметь состояние в точке 8, а пос­ле дросселирования — состояние в точке' 9. Так как точка^ 9 лежит в области влажного пара, то газ состоит из смеси кипящей жидкости -и сухого пара. Если открыть выпускной вентиль, то можно получить некоторое количество сжиженного газа.

При установившемся режиме сжижение газа с однократным дрос­селированием можно найти коэффициент выработки сжижаемого газа по-уравнению .

£ = ('і — *'г)/('і — «оХ (21-5)

зоз

*ё '1.x — энтальпия газа при давлении в 1 оар; г₂ — энтальпия газа |и р₂ бар; г'₀ — энтальпия сжижаемого газа при давлении в 1 бар. Второй метод, применяемый при сжижении газов, заключается ^адиабатном расширении газа с отдачей внешней-работы. Наиболее Свершенную установку для сжижения воздуха создал академик Щ-, Капица в СССР по циклу низкого давления с использованием тур-|о детандера*.

К-,

- -

§ 21-5. Тепловой насос

Г* По обратному циклу могут работать не только холодильные машины, задачей которых является поддержание температуры охлаждаемого омещения на заданном .уровне, но и так называемые тепловые насосы, помощью которых теплота низкого потенциала, забираемая от окружающей среды с помощью за­траченной извне работы, при более высокой темпе­ратуре отдается внешнему потребителю.

Характеристикой совершенства работы тепло-Гвого насоса будет отношение отданного внешнему, ^потребителю теплоты к затраченной на это работе.

I = = (<?₂ + О//- (21-6)

Коэффициент .£ называется обычно или отопи-. тельным коэффициентом, или коэффициентом теп-лоиспользования, или коэффициентом преобразова­ния теплового насоса. Работа теплового насоса в .принципе не отличается от работы холодильной установки. Тепловой насос для нужд отопления применяют в тех случаях, когда имеется источник теплоты с низ­кой температурой (например, вода в различных водоемах; вода, по­лучаемая после охлаждения гидрогенераторов и др.), а также источ­ник дешевой работы. Использование теплоты источников с низкой температурой может иметь для народного хозяйства СССР определен­ное значение в районах, где будет производиться огромное количество дешевой электрической энергии на гидроэлектростанциях. Применение теплового насоса для целей отопления и коммунального теплоснабже­ния с использованием электроэнергии от обычных конденсационнык электростанций экономически- нецелесообразно.

. Работа теплового насоса состоит в следующем. За счет теплоты ис­точника с низкой температурой в испарителе"/ происходит процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой кипения (ам­миак, фреоны) (рис. 21-13). Полученный пар направляется в компрес­сор 2, в котором температура рабочего тела повышается от t₂ до /_г. Пар с температурой /_а поступает в конденсатор 3, гДе при конденсации от­дает свою теплоту жидкости, циркулирующей в отопительнойсистеме. Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дроссель­ный вентиль 4.Там он дросселируется с понижением давления от р_х

Журнал технической физики АН СССР, 1939, т. 9, вып. 2.

до р_г. После дроссельного вентиля жидкое рабочее тело снова посту­пает в испаритель /.

Идеальный цикл теплового насоса аналогичен циклу паровой ком­прессорной холодильной установки (рис. 21-9).

Из рис. 21-9 видно, что затраченная работа, изображаемая пл. 1041210, вместе с теплотой источника низкой температуры пере­дается телу с высокой температурой. Если обозначить теплоту, полу­чаемую фреоном в испарителе, через <?₂, а теплоту, отданную в отопи­тельную систему, через <?! и затраченную работу в компрессоре через /, то

<?1 = <?2 + /•

Из рассмотрения цикла следует, что

* <?1 ⁼ к — ¹л ^{= 1}г — ¹Ь' ^а Яг ~ ¹1 - ^г5-

Энтальпия рабочего тела в результате дросселирования не изме­няется, поэтому к = г₅, а _

I = <?1 — Яг = ('г — к) — (к — к) = к — <1.

откуда

1 = Я1И = (к-кУк-к- '(21-7)

Если бы тепловой насос работал по обратному циклу Карно, то коэффициент преобразования был бы равен

1 = ян = т₁1{т₁-ту

Например, при отоплении здания зимой температура речной воды равна Т_г ж 280° К, а температура рабочего тела в отопительной системе 7\ = 350° К, при этих условиях

I = 350/(350 — 280) = 5,0.

Эта величина показывает, что тепловой насос передает теплоты в отопительную систему в пять раз больше, чем затрачивается работы. Если на механическую работу расходуется 1 Мдж электроэнергии, то в отопительную систему передается 5 Мдж теплоты, т. е. в пять раз больше, чем при чисто электрическом отоплении. Следовательно, энер­гохозяйственные перспективы использования тепловых цасосов без­условно велики, и там, где это необходимо, они должны получить ши­рокое распространение.

В ряде случаев благоприятные условия применения теплового на­соса получаются, если осуществить привод компрессора непосредст­венно от поршневого двигателя внутреннего сгорания. В таких уста­новках в качестве источника теплоты с низкой температурой исполь­зуют воду, охлаждающую цилиндры двигателя, а теплоту отходящих газов используют в котлах-утилизаторах отопительной системы,

Контрольные вопросы и примеры к XXI главе

1. На какие группы делятся холодильные установки?

2. Чем отличаются пароэжекторные и абсорбционные холодиль- ные установки от паровых компрессорных установок?

3. Что такое холодильный коэффициент?

4. Дать описание воздушной холодильной установки. Ее недо- статки.

5. Дать описание пароэжекторной холодильной установки.

6. Дать описание абсорбционной холодильной установки. Каковы ее преимущества?

7. Дать описание паровой компрессорной холодильной установки.

7. Изобразить идеальный цикл паровой компрессорной холодильной •установки в Гя-диаграмме.

7. Описать идеальный цикл глубокого охлаждения.

10. Каковы особенности каскадного метода сжижения газа?

11. Привести отличительные особенности установки акад. П. Ка­пицы.

12. В каких случаях целесообразно применять тепловой насос для отопления зданий?

13. Дать описание идеального цикла теплового насоса.

14. Что такое отопительный коэффициент? Его определение.

15. Какие преимущества имеет тепловой насос по сравнению с.не-^ посредственным использованием электроэнергии для отопления?

16. Особенности и преимущества теплового насоса при применении двигателей внутреннего сгорания в качестве привода для компрес­сора.

Пример 21-1. Определить теоретическую - мощность двигателя аммиачной холодильной установки, часовой расход аммиака, рассола, охлаждающей воды, холодильный коэффициент установки и холодиль­ный коэффициент цикла Карно по данным задачи, если производитель­ность установки 0. — 300 ООО кдж/ч. Для решения примера -данные берутся из курса холодильных установок. Компрессор установки вса­сывает аммиачный пар при температуре /₀ = —10° С, степени сухости х_х = 0,95 и сжимает его по адиабате до состояния перегретого пара при давлении р₂ = 8,57 бар. Из компрессора аммиачный пар поступает . в конденсатор, в котором охлаждающая вода имеет на входе темпера­туру 'в ⁼ Ю° С, а на выходе 20° С: В редукционном вентиле жидкий аммиак дросселируется до р_х — 2,9 бар, после чего он направляется в испаритель, из которого выходит со степенью сухости х_г = 0,95 и снова поступает в компрессор. Испарение аммиака происходит в реф­рижераторе за счет теплоты рассола, циркулирующего в холодильных камерах. Температура рассола при входе в испаритель /_р = —8° С, а при выходе—2° С. Теплоемкость рассола с_р = 5,0 кдж/(кг-град) (рис. 21-9),

Параметры пара аммиака на вход в компрессор (или при выходе из рефрижератора) следующие: р_х = 2,9 бар; /_х = —10⁹ С; г'_х = ■ = 373 кдж/кг; г_х = 1297 кдж/кг; при вйходе из компрессора перегре-

того аммиачного пара р₂ = 8,57 бар; i₂ = 1805 кдж/кг. Энтальпия аммиачного пара, всасываемого компрессором из рефрижератора,

1₂ = i\ + r_lXl = 373 + 1297-0,95 = 1605 кдж/кг.

Работа на сжатие 1 кг аммиака в компрессоре составляет / = ;₂ jj = 1805 — 1605 == 200 кдж/кг.

Теплота,, отведенная от аммиачного пара в конденсаторе: теплота перегрева i₂ — j₃ = 1805 — 1700 = 105 кдж/кг; теплота парообразования г₈_₄ = 1187 кдж/кг. Всего отведено теплоты в конденсаторе 105 + Н87 = 1292 кдж/кг. Энтальпия жидкого аммиака при р₂ = 8,57 бар равна г₄ = = 512,6 кдж/кг (по таблице NH₈). При дросселировании в редукционном вентиле с 8,57 до 2,9' бар энталытия не изменяется, следовательно,

г₅ = 512,5 кдж/кг.

При р_ь = 2,9 бар: is = 373 кдж/кг — '

• • / . . _ /5 — 15

Ч ~~ '5 "Г %2 ^1-Б> %2 >

'1-5

откуда

5125-373 _{=0 Ш75} ¹ 1297 '

Холодопройзводительность 1 кг аммиака или теплота, затраченная на испарение 1 кг аммиака,

<?2 = -if— Ч — 1605 — 512 = 1093 кдж/кг.

Холодильный коэффициент установки равен

е = qjl = 1093/200 = 5,47.

Холодильный коэффициент цикла Карио по условиям примера составляет

е_к = 7у(7\ — Т₂) = 263/(293 — 263) = 8,79. Количество аммиака, циркулирующего в установке,

«сек = <У^аг = 300000/(1093- 3600) 0,0762 кг/сек. Теоретическая мощность приводного двигателя равна Л^теор = /Ясен ¹ = 0,0762-135 = 10,28 кет._л Количество рассола, циркулирующего в холодильных камерах,

т_р = 300000/3600-51—2 — (—8)1 = 2,8 кг/сек. ' Секундный расход охлаждающей воды

т_в = (0,0762-1292)/4,19 (20 — 10) = 2,35 кг/сек, где 4,19 — теплоемкость воды, 312

Часть вторая ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

| ВВЕДЕНИЕ

\ ■

В учении о теплообмене рассматриваются процессы распростране­ния теплоты в твердых, жидких и газообразных телах. Эти процессы по своей физико-механической природе весьма многообразны, отли­ваются большой сложностью и обычно развиваются в виде целого ком­плекса разнородных явлений.

*' Перенос теплоты может осуществляться тремя способами: тепло­проводностью, конвекцией "и излучением, или радиацией. Эти формы -теплообмена глубоко различны по своей природе и характеризуются, различными законами."

Процесс переноса теплоты теплопроводностью происходит между' непосредственно соприкасающимися телами' или частицами тел с раз­личной температурой. Учение о теплопроводности однородных и изо­тропных тел опирается на весьма прочный теоретический фундамент. Оно основано на простых количественных законах и располагает хоро­шо разработанным математическим аппаратам. Теплопроводность представляет собой, согласно взглядам современной физики, молеку­лярный процесс передачи теплоты. В металлах при такой передаче теплоты большую роль играют свободные электроны. ■

Известно, что при нагревании тела кинетическая, энергия его моле­кул возрастает. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при своем беспорядочном движении с соседними частицами тела, сообщают им. часть своей кинетической энергии. Этот процесс, постепенно рас­пространяется по всему телу. Например, если нагревать один конец металлического стержня, то через некоторое время температура дру­гого его конца также повысится. Перенос теплоты теплопроводностью ^•зависит от физических свойств тела-, от его геометрических размеров, ' а также от разности температур между различными частями тела. При определении переноса теплоты теплопроводностью в реальных телах встречаются известные трудности, которые на практике- до сих пор \ удовлетворительно не решены. Эти трудности состоят в том, что тепло-, вые процессы развиваются в неоднородной среде, свойства которой за­висят от температуры и изменяются по объему; кроме того, трудности возрастают с увеличением сложности конфигурации системы.

Второй вид переноса теплоты называют конвекцией. Конвекция происходит только в газах и жидкостях. Этот вид ггереноса теплоты "осуществляется при перемещении и перемешивании всей массы нерав­номерно нагретых жидкости или газа. Конвекционный перенос тепло­

ты происходит тем интенсивнее, чем больше скорости движения жид­кости или газа, так как в этом случае за единицу времени перемещается большее количество частиц тела. В жидкостях и газах перенос теплоты конвекцией всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом осуществляется и непосредственный контакт частиц с различной температурой.

Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называют конвективным теплообменом; он может быть вынужденным и свободным. Если движение рабочего тела вызвано искусственно (вентилятором, компрессором, мешалкой и др.), то такой конвектив­ный теплообмен называют вынужденным. Если же движение рабочего' тела возникает под влиянием разности плотностей отдельных частей жидкости от нагревания, то такой теплообмен называют свободным или естественным, конвективным теплообменом.

Третий вид теплообмена называют излучением. Процесс передачи теплоты излучением между двумя телами, разделенными полностью или частично пропускающей излучение средой, происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию элект­ромагнитных волн, распространение электромагнитных волн в про­странстве, поглощение энергии излучения другим телом. При сравни­тельно невысоких температурах перенос энергии осуществляется в ос­новном инфракрасными лучами.

Совокупность всех трех видов переноса теплоты называют сложным теплообменом. Однако изучение закономерностей сложного теплообме­на представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому изучают порознь каждый из трех видов теплообмена, после чего становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.