18. Цикл Ренкина

КПД цикла

Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.

Цикл Ренкина состоит из следующих процессов:

изобара линия 4-5-6-1. Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота .

адиабата линия 1-2. Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром ().

изобара линия 2-3 Конденсация отработанного пара с отводом теплоты охлаждающей водой.

адиабата линия 3-4. Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы .

Обратный цикл Ренкина

При прохождении цикла Ренкина в обратном направлении (1—6—5—4—3—2—1) он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и наоборот). Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в качестве бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных рефрижераторов с температурой морозильника до −40 °C.

19 Цикл воздушной холодильной установки .

В качестве рабочего тела в холодильных установках можно ис-пользовать обычный воздух. При адиабатном расширении воздуха от температуры внешней среды Тос можно получить температуру воздуха минус 60 оС. Этот принцип, получения рабочего тела с низкой температурой применяется в воздушной холодильной установке (ВХУ). Схема ВХУ и ее идеальный цикл в T,s- диаграмме представлены на рис. 10.2 и 10.3.

Воздух с температурой Тхт, необходимой для охлаждаемого тела (эскимо в холодильной камере рис. 10.2), поступает в компрессор и адиабатно сжимается до температуры Т2, большей температуры окружающей среды (процесс 1-2).

Из компрессора воздух поступает в охладитель, где он изобарно охлаждается до температуры окружающей среды Тос (процесс 2-3), передавая теплоту q1 во внешнюю среду. Из охладителя воздух поступает в воздушную турбину – детандер. В детандере воздух расширяется до первоначального давления Р1 (процесс 3-4), в результате чего его температура становится ниже температуры холодного тела (Т4<Тхт) и создаются условия для отвода теплоты от охлаждаемого тела. Детандер, реализуя процесс адиабатного расширения воздуха, частично компенсирует затраты работы на привод компрессора. Из детандера воздух поступает в холодильную камеру, где он изобарно нагревается (процесс 4-1) за счет отвода теплоты от охлаждаемого тела (охлаждение эскимо на рис. 10.2).

Цикл парокомпрессорной ХУ.

Возможность приблизить экономичность холодильной установки к экономичности цикла Карно в интервале температур холодного тела и окружающей среды появилась с получением рабочих тел, имеющих низкие температуры фазового перехода из жидкости в пар. К таким веществам относятся различные фторхлоруглеводородные соединения, называемые фреонами. Для таких веществ можно осуществить холодильный цикл в области влажного насыщенного пара (рис. 10.8).

Однако реализация цикла 1-2-3-а, соответствующего циклу Карно, невозможна по причине технического ограничения адиабатного процесса расширения рабочего тела при его фазовом переходе из жидкости в пар (процесс 3-а). При таком фазовом переходе ни поршневой, ни проточный детандеры работать не будут (они быстро разрушаться по причине резкого изменения объема рабочего тела и наличия большого количества капельной влаги). Поэтому адиабатный процесс расширения рабочего тела (3-а) в паро-компрессорных холодильных установках (ПКХУ) заменили процессом дросселирования (3-4), и вместо детандера установили редуктор (дроссельный клапан). Установка редуктора снизит величину q2 и увеличит затраты работы на реализацию цикла 1-2-3-4-1 по отношению к циклу Карно 1-2-3-а-1. Однако установка получается простой, надежной и достаточно экономичной (рис.10.9).

Холодопроизводительность

Холодопроизводительность установки охлаждения жидкостей - это та тепловая мощность, которую установка способна отбирать от жидкости. Холодопроизводительность оборудования часто путают с полезной мощностью. Бывает такое, что даже опытные на вид энергетики, увидев, что хододопроизводительность установки в три раза превышает потребляемую мощность, удивляются, что КПД в этом случае достигает 300%(!). На самом деле о КПД можно говорить только в том случае, где существует процесс преобразования энергии. Например в электродвигателе электрическая энергия преобразуется в механическую, при этом имеются потери на нагрев и трение. И КПД двигателя как раз показывает, сколько энергии потеряно.

В случае с холодильником, процесса преобразования нет, а есть отбор тепла (энергии) от охлаждаемой среды.

Холодопроизводительность любой холодильной установки охлаждения жидкости сильно зависит от температуры, до которой необходимо охлаждать жидкость. Чем выше конечная температура жидкости, тем выше холодопроизводительность. Это связано с тем, что хладагент способен отобрать больше тепла у жидкости, при более высокой температуре кипения.

Исходные данные:

1. объемный расход охлаждаемой жидкости G (м3/час);

2. требуемая (конечная) температура охлажденной жидкости Тk (°С);

3. температура входящей жидкости Тн(°С).

Q (кВт) = G x (Тн – Тk) x 1,163

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. Различают теоретический и реальный Х. к. В частности, теоретический Х. к. идеальной парокомпрессионной машины, работающей по обратному Карно циклу, не зависит от рода холодильного агента и определяется выражением eк = T0/(Т — Т0), где T0 и Т — абсолютные температуры охлаждаемого объекта и окружающей среды (кипения и конденсации хладагента). При заданной температуре окружающей среды Т на единицу полученного искусственного холода затрачивается тем большая энергия, чем ниже температура охлаждаемого объекта. Последняя характеризует термодинамическую ценность холода. Теоретический Х. к. всех прочих холодильных циклов не превосходит eк (при одинаковых температурных условиях работы холодильной машины). Х. к. реальных холодильных машин всегда меньше теоретического.