Цикл паросиловой установки. Цикл Ренкина.

За основной цикл в паротурбинной уста­новке принят идеальный цикл Ренкина. В этом цикле осуществляется полная конден­сация рабочего тела в конденсаторе, вслед­ствие чего вместо громоздкого малоэффек­тивного компрессора для подачи воды в ко­тёл применяют питательный водяной насос, который имеет малые габариты и высокий КПД.

На pv- диаграмме точка 4 характеризует со­стояние кипящей воды в котле при давлении p₁. Линия 4-5 изображает процесс парообра­зования в котле; затем пар подсушивается в перегревателе при давлении p₁. Полученный пар по адиабате 1-2 расширяется в цилиндре парового двигателя до давления p₂ в кон­денсаторе. В процессе 2 – пар полностью конденсируется до состояния кипящей жид­кости при давлении p₂ , отдавая теплоту па­рообразования охлаждающей воде. Процесс сжатия воды осуществляется в насосе; получающееся при этом повышение темпе­ратуры воды ничтожно мало, и им в иссле­дованиях при давлениях до 3,0 – 4,0 МПа пренебрегают. Линия 3-4 изображает изме­нение объёма воды при нагревании от тем­пературы в конденсаторе до температуры кипения. Работа насоса изображается за­штрихованной пл. 03 7. Энтальпия пара при выходе из перегревателя в точке 1 равна i₁ и на Ts –диаграмме изображается пл. 9 34617109. Энтальпия пара при входе в конденсатор в точке 2 равна i₂ и на Ts –диаграмме изображается пл. 9 . Эн­тальпия воды при выходе из конденсатора в точке равна i₁ и на Ts –диаграмме изобра­жается пл. 9 8109. Полезная работа пара в цикле Ренкина l изображается на pv- диа­грамме пл. .

Если в цикле Ренкина учитывать работу насоса, то процесс адиабатного сжатия воды в нём представится на Ts- диаграмме адиа­батой , а изобара 3-4 соответствует нагреванию воды в котле при давлении p₁ до соответствующей температуры кипения.

Термический КПД цикла Ренкина определя­ется по формуле:

Удельное количество теплоты в цикле подводится при p=const в процессах 3-4 (подогрев воды до температуры кипения), 4-6 (парообразование) и 6-1(перегрев пара) и равно разности энтальпий начальной и ко­нечной точек процесса:

Это удельное количество теплоты изобра­жается на Ts –диаграмме пл. 8 . От­вод удельного количества теплоты q₂ осуществляется в конденсаторе по изобаре 2- , следовательно

Отводимая теплота изображается на Ts –диаграмме пл.

Термический КПД цикла Ренкина :

Цикл воздушной компрессорной хо­лодильной установки

На рисунке 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 1, 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 -60 или -70⁰С и холо­дильный воздух направляется для охлажде­ния помещения, где, нагреваясь, опять по­ступает в компрессор.

в pv – и Ts – диаграммах:

воздух в процессе 1-2 адиабатно сжимается от давления p₁ до p₂. В изобарном процессе 2-3 от воздуха отводится удельное количе­ство теплоты внешнему источнику и темпе­ратура его понижается от T₂ до Т₃. При адиабатном расширении в процессе 3-4 воз­дух дополнительно охлаждается от темпера­туры Т₃ до Т₄. Далее в изобарном процессе 4-1 происходит отвод теплоты от охлаждае­мого помещения (теплоотдатчика), в ре­зультате чего воздух нагревается от Т₄ до Т₁.

Работа затрачиваемая на осуществление цикла, равна разности удельных количеств теплоты q₁ и q_2. Считая теплоёмкость посто­янной имеем:

Тогда холодильный коэффициент цикла:

=

Из адиабатных процессов 1-2 и 3-4

и

Но p₂=p₃, а p₁=p₄ тогда

Окончательно имеем

Где Т₁ – температура охлаждаемого поме­щения или температура воздуха, засасыва­емого в компрессор.

Т₂ – температура сжатого воздуха.

Цикл паровой компрессорной холо­дильной установки

Наибольшее распространение для охлаждения тел до температуры -20⁰С получили холодильные установки, в которых холодильным агентом явля­ются легкокипящие жидкости - ам­миак, фреоны, сернистый ангидрид и другие при невысоких давлениях (же­лательно близких к атмосферному).

На рисунке схема компрессорной установки, работающей на парах ам­миака NH₃.

1- 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. 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 коли­чество теплоты (в процессе 5-1) испа­ряется и охлаждает рассол, который циркулирует в охлаждаемых камерах. Процесс дросселирования как необра­тимый процесс изображается 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, но эта замена значительно упро­щает установку и даёт возможность легко регулировать давление пара и получать необратимую температуру в охладителе .

Удельная работа затрачен­ная на совершение цикла: =

Холодильный коэффициент компрессорной аммиачной установки:

Где - удель­ное количество теплоты, воспринимаемое аммиачным паром в охладителе.

Холодильный коэффициент установки

Значения энтальпий в уравнении опреде­ляют по is-диаграмме или по таблице амми­ака.

Паровые холодильные установки имеют большое преимущество перед воздушными. Они компактны, дёшевы и имеют более вы­сокий холодильный коэффициент.

Процесс парообразования в p – V диаграмме

Фазовая pv – диаграмма системы, состоя­щей из жидкости и пара, представляет собой график зависимости удельных объёмов воды и пара от давления.

Пусть вода при температуре 0⁰С и некото­ром давлении ρ занимает удельный объём v₀ (отрезок NS) . Вся кривая АЕ выражает за­висимость удельного объёма воды от давле­ния при температуре 0⁰С . Т.к. вода веще­ство почти несжимаемое то кривая АЕ по­чти параллельна оси ординат. Если при по­стоянном давлении сообщать воде теплоту, то её температура будет повышаться и удельный объём увеличиваться. При неко­торой температуре t_{s вода закипает, а её удель­ный объём} v’ в точке А’ достигнет при дан­ном давлении максимального значения. С увеличением давления растёт температура кипящей жидкости t_{s и} объём v’ также уве­личивается. График зависимости v’ от дав­ления представлен кривой АК которая назы­вается пограничной кривой жидкости. Ха­рактеристикой кривой является степень су­хости x=0. В случае дальнейшего подвода теплоты при постоянном давлении начнётся процесс парообразования. При этом количе­ство воды уменьшается, количество пара увеличивается. В момент окончания паро­образования в точке В’ пар будет сухим насыщенным. Удельный объём сухого насыщенного пара обозначается v’’.

Если процесс парообразования протекает при постоянном давлении то температура его не изменяется и процесс A’B’ является одновременно изобарным и изотермиче­ским. В точках A’ и B’ вещество находится в однофазном состоянии. В промежуточных точках вещество состоит из смеси воды и пара. Такую смесь тел называют двухфазной системой.

График зависимости удельного объёма v’’ от давления представлен кривой КВ, кото­рая называется пограничной кривой пара.

Если к сухому насыщенному пару подво­дить теплоту при постоянном давлении, то температура и объём его будут увеличи­ваться и пар из сухого насыщенного перей­дёт в перегретый (точка D). Обе кривые АК и КВ делят диаграмму на три части. Влево от пограничной кривой жидкости АК до ну­левой изотермы располагается область жид­кости. Между кривыми АК и КВ располага­ется двухфазная система, состоящая из смеси воды и сухого пара. Вправо от КВ и вверх от точки К располагается область пе­регретого пара или газообразного состояния тела. Обе кривые АК и КВ сходятся в одной точке К, называемой критической точкой.

Критическая точка является конечной точ­кой фазового перехода жидкость – пар, начинающегося в тройной точке. Выше кри­тической точки существование вещества в двухфазном состоянии невозможно. Ника­ким давлением нельзя перевести газ в жид­кое состояние притемпературах выше кри­тической.

Параметры критической точки для воды:

t_к=374,12⁰С ; v_к=0,003147 м³/кг;

ρ_к=22,115 МПа; i_к=2095,2 кДж/кг

s_к=4,424 кДж/(кг·К).

Процесс p =const водяного пара. Изображение процесса в p – V , i – S и T –S диаграммах.

На is – диаграмме изобара в области насы­щенного пара представляется прямой ли­нией, пересекающей пограничные кривые жидкости пара. При подводе теплоты к влажному пару степень сухости его увели­чивается и он (при постоянной температуре) переходит в сухой, а при дальнейшем под­воде теплоты – в перегретый пар. Изобара в области перегретого пара представляет со­бой кривую, направленную выпуклостью вниз.

На pv – диаграмме изобарный процесс изображается отрезком горизонтальной прямой, который в области влажного пара изображает и изотермический процесс од­новременно.

На Ts – диаграмме в области влажного пара изобара изображается прямой горизонталь­ной линией, а в области перегретого пара – кривой, обращённой выпуклостью вниз. Значения всех необходимых величин для расчёта берутся из таблиц насыщенных и перегретых паров.

Изменение удельной внутренней энергии пара:

Внешняя работа:

Подведённое удельное количество теплоты:

В том случае, когда q задано и требуется найти параметры вто­рой точки, лежащей в области двухфазных состояний, применя­ется формула для энтальпии влажного пара:

Процесс T=const водяного пара. Изображение процесса в p – V , i – S и T –S диаграммах.

Изотермический процесс.

На is – диаграмме в области влажного пара изотерма совпадает с изобарой и является прямой наклонной линией. В области пере­гретого пара изотерма изображается кривой с выпуклостью вверх.

На pv – диаграмме в области влажного пара изотермический процесс изображается гори­зонтальной прямой. Для насыщенного пара этот процесс совпадает с изобарным. В об­ласти перегрева давление пара понижается, а процесс изображается кривой с выпукло­стью к оси абцисс.

На Ts – диаграмме изотермный процесс изображается отрезком горизонтали.

Удельная внутренняя энергия водяного пара в отличие от внутренней энергии идеаль­ного газа изменяется в следствии изменения потенциальной составляющей, поэтому при T=const

Подведённое удельное количество теплоты в процессе:

Внешняя работа определяется из первого закона термодинамики:

Формула Майера.

Особое значение в термодина­мике имеют теплоемкости газа при по­стоянном давлении, т.е. в изобарном процессе – и при постоянном объ­еме, т.е. в изохорном процессе – . Эти теплоемкости связываются формулой Майера

Отношение теплоемкостей

где k – показатель адиабаты.

Понятие «Холодильный коэффици­ент»

Холодильный коэффициент безраз­мерная величина (обычно больше еди­ницы), характеризующая энергетиче­скую эффективность ра­боты холодильной машины; равна от­ношению холодопроизводительности к количеству энергии (работе), затра­ченной в единицу времени на осу­ществление холодильного цикла. Определяется типом холодильного цикла, по котором у работает машина, совершенством её основных элементов и для одной и той же машины зависит от температурных условий её работы.

Холодильный коэффициент иде­альной холодильной машины, работа­ющей по обратному циклу Карно:

где T_мин и T_макс – соответственно низ­шая и высшая температуры в цикле.

Холодильный коэффициент воздуш­ной холодильной машины (рисунок) ,

где T₁ и T₂ – соответственно темпера­туры начала и конца адиабатного сжа­тия;

T₃ и T₄ – температуры начала и конца адиабатного расширения в детандере.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: