4. Цикли паросилових і холодильних установок

Цикл Ренкіна. По циклу Ренкіна працюють паросилові установки тепло-електростанцій, використовуючи як паливо мазут, газ, вугілля, торф. (рис.4.1.)

Пара великого тиску і температури (див. т. 1) подається в соплові апарати турбіни, де відбувається перетворення потенційної енергії пари в кінетичну енергію потоку пари (швидкість потоку – надзвукова). Кінетична енергія надзвукового потоку перетворюється на лопатках турбіни в кінетичну енергію обертання колеса турбіни й у роботу виробництва електроенергії.

Варіант паросилової установки і циклу Ренкіна наведений на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема паросилової установки і цикл Ренкіна.

Теплота, яка передається робочому тілу на ділянках :

, (4.1)

де – ентальпія пари, що надходить у турбіну; – ентальпія рідини, що надходить у котел після конденсатора.

Теплота, яка передається від робочого тіла до охолоджуючої води на ділянці :

, (4.2)

де – ентальпія рідини, що виходить після турбіни.

К.к.д. такого циклу Ренкіна:

. (4.3)

Питомий видаток пари є відношенням годинного видатку в ідеальному двигуні до виробленої електроенергії . Оскільки 1 кг пари здійснює в теоретичному циклі (кДж/кг) корисної роботи, а 1 кВтгод дорівнює 3600 кДж, то з рівняння теплового балансу ідеального двигуна отримаємо вираз для теоретичної витрати пари (в кг на кВтгод):

. (4.4)

Корисна або індикаторна робота в реальному двигуні буде менше роботи в ідеальному . Відношення дійсної роботи до теоретичної називається відносним внутрішнім к.к.д.:

. (4.5)

Відношення використаної теплоти до витраченої в циклі називається абсолютним внутрішнім к.к.д.:

. (4.6)

Холодильні технології. На рис. 4.2 представлена типова технологічна схема холодильної установки.

Навколишнє середовище є гарячим тілом у холодильних установках і холодним тілом в теплових насосах.

Робоче тіло спочатку компресують до якогось тиску (точка 1), далі направляють у теплообмінник для охолодження і підготовки до розширення (точка 2). Потім стиснутий і холодний газ направляють у розширник (детандер) (див. 6.8-а), де газ переохолоджується до заданої температури (точка 3), одночасно виконуючи роботу, що частково використовують на стадії стиску. Нарешті, газ направляють у теплообмінник у холодильній камері (точка 4). Тут робоче тіло (холодоагент) забирає теплоту з холодильної камери і далі йде на вхід компресора.

Рис. 4.2. Типова технологічна схема холодильної установки.

Зворотний цикл Карно. Холодильна установка працює по зворотному циклу Карно (рис. 6.10). Для його здійснення необхідно затратити роботу (-l_ц).

Для теплового трансформатора: q₁ - є теплота, що відводиться від ТРТ до гарячого тіла; q₂ – теплота, що підводиться від холодного тіла до ТРТ; l_о<0 – робота, затрачувана ТС на перенос теплової енергії від холодного тіла до гарячого тіла; -l_о=-q₁+q₂ , чи q₁=l_о+q₂.

Рис. 4.3. Цикл Карно холодильної устанровки.

Робота холодильної установки характеризується холодильним коефіцієнтом: , що показує скільки потрібно затратити роботи l_о на перенос теплової енергії від холодного тіла до гарячого тіла (у навколишнє середовище). Тоді холодильний коефіцієнт зворотного циклу Карно буде:

, (4.7)

або . (4.8)

Якщо , то . Якщо , то . Тоді , де Т₂ – температура холодильної камери, Т₁ – температура навколишнього середовища.

Технологічна схема парокомпресійного циклу нічим не відрізняється від попереднього циклу, тільки як робоче тіло використовуються пари речовин, що знаходяться в області вологої пари. Іншими словами, застосовуються речовини в станах, нижче критичного. Тут у принципі можна реалізувати найбільш ефективний холодильний цикл Карно (див. рис. 4.4). Як і вище, площа усередині циклу відповідає роботі l, яку необхідно підводити до робочого тіла, площа під прямою 3 – 4 відповідає кількості теплоти q₂, що забирається робочим тілом від середовища в холодильній камері, а сума l + q₂ (це площадка під прямою 1 – 2) являє собою кількість теплоти, що віддається робочим тілом теплоносію в теплообміннику за компресором (див. рис. 4.2-а).

Рис. 4.4. Парокомпресійний холодильний цикл Карно.

Цей цикл характеризується тим, що ізобарний процес у теплообмінниках для області вологої пари будь-якої речовини збігається з ізотермою (див. лекцію 3), як це необхідно для циклу Карно.

Р еальний парокомпресійний холодильний цикл (див. рис. 4.5) являє собою приклад того, як, керуючись рекомендаціями термодинаміки, можна створити працездатні установки.

Рис. 4.5. Реальний парокомпресійний цикл.

Суха насичена пара аміаку при температурі подається на вхід компресора (т.4). Процес стиску робочого тіла 4 – 1 відбувається в однофазній області існування речовини. Це дозволило уникнути гідравлічних ударів при стиску: компресор працює по сухому. Далі перегріта пара аміаку з великою температурою надходить у теплообмінник – конденсатор. Процес 1 – 2 – це охолодження перегрітої пари аміаку до стану сухої насиченої пари, далі – до стану вологої насиченої пари і, остаточно – рідини (т.2). Далі, замість малоефективного процесу розширення в детандері використовується простий процес дроселювання 2 – 3. У точці 3 волога насичена пара спрямовується у випарник. В процесі 3 – 4 відбувається кипіння рідкої фази з відведенням теплоти від охолоджуваних тіл, що контактують з поверхнями випарника, і перехід холодагента в стан сухої насиченої пари. У цілому технологічна схема реального парокомпресійного циклу відповідає технологічній схемі на рис. 4.8-б. Звичайно, цілком позбутися від необоротності процесів не вдається нікому, точно також як і від необхідності реалізовувати кінцеву різницю температур в обох теплообмінниках холодильної установки.