Вопрос 4. Доп. Инфа к циклам гту.

Цикл ГТУ со сгоранием при p=const c изотермическим сжатием воздуха в компрессоре.

Последовательность цикла:

1-2 – компрессор сжимает воздух и подаёт его в камеру сгорания;

т.2 – при помощи топливного насоса в камеру сгорания подаётся топливо;

2-3 – сгорание горючей смеси;

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела через каналы турбины;

т.4 – отработавшие газы выбрасываются в атмосферу;

4-1 – условный процесс, замыкающий цикл.

Теплота от рабочего тела к холодному источнику будет отводиться в изо-барном процессе 4-1 и в изотермическом процессе сжатия 1-2; теплота подводится к рабочему телу в изобарном процессе 2-3.

5. Циклы холодильных установок.

Основной задачей холодильной установки является искусственное охлаждение помещений и различных тел ниже температуры окружающей среды и поддержание этих температур сколь угодно долго.

В холодильных установках осуществляются обратные циклы, в результате которых за счет извне подводимой работы происходит переход теплоты от тела более низкой температуры к телу с более высокой температурой.

О братный цикл Карно для газообразного рабочего тела изображен в координатах TS на рис 20.1, состоящий из двух изотерм 1-2 и 3-4 и двух адиабат 2-3 и 4-1. Рабочее тело, которое в теории холодильных машин носит название холодильного агента, в начальном состоянии находится при давлении p1 и температуре T1 (например, воздух при нормальных внешних условиях). С помощью компрессора холодильный агент изотермически сжимается до давления p2 (процесс 1-2) и от него во внешнюю среду обратимым путем отводится теплота Q. После изотермического сжатия происходит адиабатное расширение до давления p3 (процесс 2-3), в результате которого холодильный агент охлаждается до температуры T2. Далее, при изотермическом расширении холодильного агента до давления p4 (процесс 3-4) последний получает теплоту Q2 от теплоотдатчика (охлаждаемого тела) при температуре T2. Наконец, адиабатным сжатием (процесс 4-1) холодильный агент возвращается к исходному состоянию.

Согласно второму начала термодинамики, для перехода теплоты в количестве Q2 от источника температуры T2 к приемнику теплоты с более высокой температурой T1, чем температура T2, требуется затрата механической работы L, равной разности Q1 и Q2: . Графически работа L равна площади цикла 1234, теплота Q2 определяется площадью a34b, теплота Q1 измеряется площадью a21b.

Приемником теплоты Q1, как правило, служит окружающая среда – воздух или охлаждающая вода:

Основными характеристиками холодильной установки являются:

1. Холодопроизводительность, представляющая отношение количества отводимой теплоты Q2 от охлаждаемого тела ко времени τ.

2. Удельное количество отводимой теплоты q2 равно отношению количества отводимой теплоты Q2 от охлаждаемого тела к массе холодильного агента m.

3. Объемное количество отводимой удельной теплоты q2’ равно отношению количества отводимой теплоты q2 от охлаждаемого тела к объему холодильного агента V или отношению удельного количества теплоты q2 к удельному объему холодильного агента .

Показателем совершенства обратного обратимого цикла является холодильный коэффициент, представляющий отношение количества теплоты, отведенной в цикле, к затраченной работе:

Формула для определения холодильного коэффициента цикла Карно:

Холодильный коэффициент цикла Карно тем больше, чем выше температура охлаждаемого тела T2 и чем ниже температура теплоприемника T1.

Для любого обратимого цикла существует связь между термическим КПД прямого и холодильным коэффициентом обратного цикла:

Практическое осуществление холодильной установки, работающей по циклу Карно, затруднительно (громоздкость установки, необратимость процессов, протекающих в реальный условиях). В общем случае осуществить процесс сообщения и отвода теплоты, близкий к изотермическому, возможно только при достаточно медленном его протекании или в том случае, когда изотермические процессы представляют собой конденсацию и испарение холодильного агента.

Холодильные установки делят на два основных типа: компрессорные и абсорбционные. В свою очередь компрессорные подразделяют на газовые(воздушные) и паровые.

В газовых холодильных установках в качестве холодильного агента используют воздух, который при всех его изменениях остается в газообразном состоянии. Принципиальная схема газовой холодильной установки и цикл этой установки:

Р абота машины протекает следующим образом. Воздух из охлаждаемой камеры 1 при давлении p1 засасывается компрессором 2 и подвергается адиабатному сжатию до давления p2 (процесс 1-2). Сжатый воздух поступает в холодильник 3, где при постоянном давлении p2 происходит его охлаждение (процесс 2-3). Далее охлажденный воздух поступает в турбогетандер 4 (расширительную машину), где адиабатно расширяется до давления в охлаждаемой камере p1 (процесс 3-4). В результате расширения воздуха в турбодетандере происходит понижение его температуры. Холодильный воздух поступает в охлаждаемую камеру, где при p1=const отнимает теплоту от охлаждаемого тела (процесс 4-1).

Как видно из рис.20.2, в идеальном цикле воздушной холодильной установки по сравнению с циклом Карно дополнительно затрачивается работа, равная площадям 154 и 632. Холодильный коэффициент воздушной холодильной установки всегда значительно меньше холодильного коэффициента соответствующего обратного цикла Карно, осуществляемого в интервале температур T1 и T3.

Воздушные холодильные машины в основном применяют для производства глубокого холода с температурами -60…-70°C.

В паровых компрессорных холодильных установках в качестве холодильных агентов используют пары жидкостей, которые при изменении параметров переходят из газообразной в жидкую фазу, меняя свое агрегатное состояние. Агенты: Аммиак, различные галогенозамещенные углеводороды метанового и этанового рядов (фреоны).

С хема и цикл: Компрессор 2 засасывает из испарителя 1, выполненного в виде змеевика, влажный насыщенный пар холодильного агента и адиабатно сжимает его до давления p2 (1-2). В процессе сжатия пар становится сухим насыщенным или перегретым. Из компрессора пар поступает в холодильник (компрессор) 3, где конденсируется, отдавая теплоту окружающей среде. Процесс конденсации протекает по изобаре, одновременно являющейся изотермой (2-3). Затем жидкий агент подвергается дросселированию в специальном дроссельном клапане 4 (3-4); при этом часть жидкости превращается в пар. Давление в процессе дросселирования уменьшается до начального значения p1, а температура принимает значение T1. Тем самым осуществляется требуемое от установки охлаждающее действие (процесс 4-1).

При применении дросселирования вместо адиабатного расширения в расширительном цилиндре удельное количество отводимой теплоты уменьшается на величину, равную дроссельной потере, т.е. работе, которая была бы получена, если бы вместо дросселирования было осуществлено обратимое адиабатное расширение.

Несмотря на невыгодность дросселирования, в практически осуществляемых холодильных установках, в значительной мере отклоняющихся от идеализированных, устанавливают дроссельный клапан, а не расширительный цилиндр. Последнее объясняется как конструктивными соображениями, так и удобством регулирования работы холодильной установки.

Рабочим телом абсорбционной холодильной машины является раствор, состоящий из двух веществ – холодильного агента и абсорбента, имеющих разные температуры кипения при одном и том же давлении.

В качестве рабочих тел широко применяют водоаммиачный и водобромистолитиевый растворы. В этих растворах в качестве холодильного агента используют аммиак и воду, а в качестве абсорбентов – воду и бромистый литий. Первый раствор можно использовать для получения температур как выше, так и ниже 0, второй – только выше 0.

Схема идеальной абсорбционной холодильной установки:

В генераторе (кипятильнике) 1 за счет подвода теплоты Qг при температуре Tг происходит выпаривание из раствора легкокипящего холодильного агента. Образовавшиеся пары агента поступают в конденсатор 2, где, конденсируясь, отдают теплоту в окружающую среду Qк. В зависимости от температуры Tк среды, охлаждающий конденсатор, в нем поддерживается, как и в генераторе холодильной машины, давление p. Жидкий холодильный агент из конденсатора через турбину 3 направляется в испариватель 4, где за счет отвода теплоты Q2 от охлаждаемого источника происходит кипение холодильного агента при давлении p2. Давление в испаривателе зависит от температуры холодного источника T2 и равно давлению в абсорбере 5. Образовавшиеся в испарители пары холодильного агента направляются в абсорбер, где поглощаются абсорбентом, поступающим из генератора через турбину 7. Выделившаяся в абсорбере теплота Qa при поглощении паров абсорбентом отводится в окружающую среду при температуре Ta. Т.о., в рассматриваемой схеме генератор как бы служит нагнетательной стороной механического компрессора, вытесняя из раствора пары холодильного агента, а абсорбер выполняет роль всасывающей стороны компрессора, поглощая эти пары при поступлении их из испарителя. Образовавшийся в абсорбере раствор насосом 6 подается снова в генератор. В схеме для привода насоса используется работа, полученная в турбинах 3 и 7.

Р ассмотренный цикл абсорбционной холодильной машины можно разбить на два: прямой и обратный. Прямой цикл, т.е. цикл парового двигателя, осуществляется по следующей схеме: кипятильник-турбина-абсорбер, выполняющий роль конденсатора, - насос. Обратный цикл, или цикл холодильной машины: конденсатор – турбина – испаритель - прямой цикл, выполняющий роль термокомпрессора.

Прямой цикл 1234 осуществляется раствором при постоянных температурах в генераторе Tг и в абсорбере Ta. В цикле холодильной машины 5678 теплота отводится от окружающей среды при температуре T2 и переносится к горячему источнику с температурой постоянной Tк.

В рассмотренной идеальной абсорбционной машине все процессы в ее аппаратах принимаются полностью обратимыми.В процессе кипения в генераторе происходит полное выпаривание агента из абсорбента. Процессы подвода и отвода теплоты во всех аппаратах установки (генератор, конденсатор, абсорбер и испаритель) происходят по изотермам, а процессы расширения и сжатия в турбинах и насосе – по адиабатам.

Таким образом, оба цикла (прямой и обратный) идеальной абсорбционной машины являются циклами Карно.

Основным преимуществом по сравнению с компрессорными является использование теплоты невысокого температурного уровня вместо дорогостоящей механической энергии для получения холода.