Холодильные установки. Криогенные жидкости. Компрессоры

1. ТНиС 08

● Холодильные установки
● Криогенные жидкости
● Компрессоры
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
1

2. Обратный цикл Карно

Холодильная установка предназначена
для передачи теплоты q2 от холодного
источника Tх к горячему Тг.
T
1
q1
4
Тг
q2
Тх
2
0
Δs
3
s
По II закону термодинамики это
возможно только при затрате внешней
работы l.
Идеальным циклом холодильных машин является обратный
цикл Карно: 1-2 – адиабатное расширение рабочего тела;
2-3 – изотермический подвод теплоты от холодного источника
к рабочему телу; 3-4 – адиабатное сжатие рабочего тела;
4-1 – изотермический отвод теплоты к горячему источнику.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
2

3. Холодильный коэффициент

Запишем для цикла выражение I закона термодинамики
q=q1-q2=l, так как изменение внутренней энергии для цикла
Δu=u1-u1=0.
Основной характеристикой обратного цикла является его
холодильный коэффициент – доля теплоты, переданной от
холодного источника к горячему, на единицу затраченной
работы:
q2
q2
T2 s
T2
1
l q1 q2 T1 s T2 s T1 T2 (T1 /T2 ) 1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
.
(1)
3

4. Воздушная холодильная установка

Воздушная холодильная
4
~
1
3
2
установка была одной из первых
использованных на практике
холодильных машин:
1
2
3
4
–
–
–
–
детандер;
холодильная камера;
компрессор;
охладитель.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
4

5. Цикл воздушной холодильной установки

T
Tг
4
q1
1
Тх
0
3
2
q2
s
1-2 – адиабатное расширение воздуха
в турбодетандере;
2-3 – изобарный подвод теплоты q2
от холодного источника Тх к воздуху;
3-4 – адиабатное сжатие воздуха
в турбокомпрессоре;
4-1 – изобарный отвод теплоты q1
от воздуха к горячему источнику Tг.
Цикл воздушной холодильной установки можно рассматривать
как обратный цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
5

6. Холодильный коэффициент

Холодильный коэффициент по формуле (1):
c p (T3 T2 )
q2
q1 q2 c p (T4 T1 ) c p (T3 T2 )
.
(2)
После сокращения на ср выражение (2) можно представить
в виде:
1
T4 T1
(T4 /T1) 1 T1
1
1
T3 T2
(T3 /T2 ) 1 T2
1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
.
(3)
6

7. Окончательное выражение холодильного коэффициента

Для адиабатных процессов 1-2 и 3-4:
T1/T2=(p1/p2)(k-1)/k;
T4/T3=(p4/p3)(k-1)/k=(p1/p2)(k-1)/k=T1/T2;
То есть T4/T1=T3/T2, тогда из выражения (3) окончательно:
p1
T
T2
1
1
T
p
T1 T2 2
2
1
(k 1)/ k
1 .
1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
7

8. Эффективность воздушной холодильной установки

Если бы можно было отводить теплоту из холодильной
камеры обратимо при Т3=Тх и отдавать теплоту в охладителе
обратимо при Т1=Тг, то это соответствовало бы обратному
циклу Карно.
Холодильный коэффициент – это фактически удельная
холодопроизводительность.
Для воздушной холодильной установки ε~1, то есть на
перенос единицы теплоты от холодного источника к горячему
затрачивается единица работы, что малоэффективно.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
8

9. Парокомпрессионная холодильная установка

1
2
3
4
4
1
3
2
–
–
–
–
дроссель;
холодильная камера;
компрессор;
конденсатор.
Холодильными агентами в таких
установках являются низкокипящие
жидкости (tн<0 °C при р=1 бар).
Причем при отрицательных
температурах кипения давление кипения p0 должно быть больше
атмосферного, чтобы исключить подсос воздуха в испаритель.
Невысокие давления сжатия позволяют изготовить облегченными
компрессор и другие элементы холодильной установки.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
9

10. Требования к холодильным агентам

При существенной скрытой теплоте парообразования r
желательны низкие удельные объемы v, что позволяет
уменьшить габариты компрессора.
Хорошим хладагентом является аммиак NH3 (при температуре
кипения tк=20 оС, давление насыщения pк=8,57 бар и при
t0=-34 оС, p0=0,98 бар).
Скрытая теплота парообразования у него выше, чем у других
холодильных агентов.
Но недостатки его – токсичность и коррозионная активность по
отношению к цветным металлам, поэтому в бытовых
холодильных установках аммиак не применяется.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
10

11. Требования к холодильным агентам

Неплохими хладагентами являются хлористый метил (СН3CL) и
этан (С2H6); сернистый ангидрид (SO2) из-за высокой
токсичности не применяется.
Широкое распространение в качестве холодильных агентов
получили фреоны – фторхлорпроизводные простейших
углеводородов (в основном метана).
Отличительными свойствами фреонов являются их химическая
стойкость, нетоксичность, отсутствие взаимодействия с
конструкционными материалами при t 200 оС.
В прошлом веке наиболее широкое распространение получил
R12, или фреон – 12 (CF2CL2 – дифтордихлорметан).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
11

12. Теплофизические характеристики фреонов

R12 имеет следующие теплофизические характеристики:
молекулярная масса =120,92; температура кипения при
атмосферном давлении p0=1 бар; t0=-30,3 oC; критические
параметры: pк=41,32 бар; tк=111,8 оС; vк=1,78 10-3 м3/кг;
показатель адиабаты k=1,14.
Производство фреона – 12, как разрушающего озоновый слой
вещества, в России было запрещено с 1996 года [4], разрешено
только до 2006 года использование уже произведенного R12.
Производство фреона – 22 (R22 или дифтормонохлорметана –
CНF2CL), как менее опасного, разрешено до 2025 года; его
характеристики: =86,48; температура кипения при p0=1 бар;
t0=-40,8 oC; критические параметры: pк=49,86 бар; tк=96 оС;
vк=1,95 10-3 м3/кг.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
12

13.

К
40
70
30
60
50
20
1,4
1,6
40
Давление р, бар
s=1,2 кДж/(кг·К)
96 ºС
80
v=0,01м3/кг
1,8
0,02
30
20
10
8
6
10
0,05
tн=0 ºС
4
-10
0,1
1,0
3
-20
2
-30
х=0
1
0,2
х=1
-40
2,0
500
600
700
h, кДж/кг
ph-диаграмма хладагента фреона 22 (R22): рк=49,86 бар, tк=96°С
13

14. Цикл парокомпрессионной холодильной установки

q1
T
4
2
3
1-2 – адиабатное сжатие пара в
компрессоре;
2-3 – изобарное охлаждение пара до
температуры конденсации;
5
1
3-4 – изобарно-изотермическая
q2 s
конденсация пара в конденсаторе;
0
4-5 – дросселирование;
5-1 – изобарно-изотермическое кипение жидкого
холодильного агента в испарителе.
Цикл паро-компрессорной холодильной установки почти
соответствует обратному циклу ПТУ.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
14

15. Холодильный коэффициент

Холодильный коэффициент паро-компрессорной холодильной
установки:
h1 h5
q2
h h q
1 4 2
q1 q2 (h2 h4 ) (h1 h5 ) h2 h1 l
.
Требования к холодильному агенту:
● tн<0 °C при рн>ратм, чтобы исключить подсос воздуха в
испаритель;
● значительная скрытая теплота парообразования при низких
удельных объемах пара, чтобы снизить габариты компрессора;
● низкие давления сжатия, чтобы снизить массу компрессора.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
15

16. Водо-аммиачная абсорбционная холодильная установка

2
3
NH3
1
p1
q1
p2
6
5
1 – испаритель (концентрированный раствор NH3 в воде);
2 – конденсатор;
3 – дроссель;
4 – холодильная камера;
5 – абсорбер (слабый раствор
NH3 в воде);
6 – насос.
4
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
16

17. Холодильный агент

Холодильным агентом в такой машине является аммиак NH3
с температурой насыщения tн~-33 °С при рн=1 бар.
Абсорбент же – это слабый раствор аммиака в воде.
При изменении концентрации аммиака в воде в диапазоне
с=100…0 % температура насыщения раствора tн=-33…100 °С.
В абсорбционной холодильной установке затрачивается
не внешняя работа, а теплота q1, поэтому холодильный
коэффициент
.
q2 / q1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
17

18. Температурный потенциал воды, охлаждающей конденсатор

В обычной холодильной установке конденсация рабочего
тела происходит при tн=30…50 °С, то есть температура
охлаждающей воды на выходе t”в=25…45 °С.
Теплота такой воды низкопотенциальная и ее невозможно
использовать для отопления.
Если же повысить температуру конденсации до tн=80…90 °С,
то температура t”в будет 75…85 °С и ее уже можно будет
использовать в системе отопления.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
18

19. Тепловой насос

Тепловой насос – это холодильная установка, перекачивающая
теплоту на более высокий температурный уровень.
При этом испаритель помещается снаружи отапливаемого
помещения в воздухе или в водоеме, а конденсатор является
сам отопительным радиатором или нагретая в конденсаторе
охлаждающая вода поступает в отопительное устройство.
Экономичность теплового насоса оценивается отопительным
коэффициентом.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
19

20. Отопительный коэффициент

Отопительный коэффициент – это удельная теплота,
отданная горячему источнику, на единицу работы:
.
q1 q2 l
î ò
1
l
l
То есть для паро-компрессорных установок εот=4…5.
Тепловой насос может использоваться и для совместного
получения теплоты и холода, например, в 1943 году была
сооружена аммиачная холодильная установка для катка с
искусственным льдом, вода из конденсатора которой
поступала в сеть городского теплоснабжения.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
20

21. Отопление дома тепловым насосом

Дроссель
Испаритель
Конденсатор
Компрессор
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
Водоём
21

22. Газомоторный термотрансформатор [10]

Отдаваемая теплота
Конденсатор
Природный газ
Компрессор
Газомотор
Испаритель
Теплота окружающей среды
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
22

23. Газомотор

Газомотор нужен для запуска газового компрессора.
Мотор может работать на природном газе.
По затрате первичной энергии газовые тепловые насосы более
эффективны, чем электрические,
так как в них можно дополнительно использовать теплоту
уходящих газов (регенерация бросовой теплоты).
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
23

24. Абсорбционный термотрансформатор [11]

Отдаваемая теплота
Выход
пара
Конденсатор
ДросДроссель
Испаритель сель
Насос
Газ
Абсорбер
Теплота
окружающей среды
Термический уплотнитель
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
24

25. Абсорбционный тепловой насос

Абсорбционные
газовые
тепловые
насосы
вместо
электроэнергии используют природный газ для привода в
действие.
Рабочим телом в цикле служит водоаммиачная смесь и гелий в
качестве вспомогательного газа.
В его конструкции нет движущихся частей, поэтому он не
ломается и практически не требует ухода.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
25

26. Криогенные жидкости

Холодильные агенты – это низкокипящие жидкости
(Тн=200…250 К при атмосферном давлении).
Температуры насыщения некоторых криогенных жидкостей
при атмосферном давлении:
кислород
воздух
азот
водород
гелий
О2
N2
Н2
Не
Тн=90,2 К;
Тн~80 К;
Тн=77,4 К;
Тн=20,4 К;
Тн=4,2 К.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
26

27. Применение криогенных жидкостей

Криогенные жидкости используются для поддержания
низких температур в энергетике, медицине, пищевой
промышленности, на транспорте и др.
Например, если залить жидкий азот в охлаждаемый объем,
то пока весь азот не испарится, в объеме будет сохраняться
постоянная температура, равная температуре насыщения
азота при атмосферном давлении Тн=77,4 К.
Для длительного хранения сжиженных газов используются
стеклянные или стальные сосуды Дьюара с двойными
стенками, разделенными вакуумным промежутком.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
27

28. Классификация компрессоров

Компрессор – это устройство для сжатия и перемещения газов.
Сжатый воздух широко используется в технологических
процессах и для привода пневматических механизмов.
В турбокомпрессорах кинетическая энергия движущегося с
высокой скоростью газа преобразуется в диффузорах в
потенциальную энергию давления.
Поршневые компрессоры относятся к устройствам объемного
сжатия; но термодинамика процессов сжатия одинакова для
всех компрессоров.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
28

29. Допущения

При исследовании работы теоретического компрессора
принимаются следующие допущения:
● рабочий объем цилиндра равен его геометрическому объему
(отсутствует вредное пространство);
● изменение состояния рабочего тела обратимое;
● процессы всасывания и нагнетания изобарные.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
29

30. 1-ступенчатый поршневой компрессор

1 – цилиндр;
2
2 – поршень;
1
3
3 – всасывающий клапан;
4
4 – нагнетательный клапан;
5
5 – ресивер со сжатым воздухом.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
30

31. Термодинамические процессы 1-ступенчатого поршневого компрессора

p
р2
3
2и
4
р1
2 2а
1
4-1 – изобарное всасывание;
1-2 – политропное сжатие;
1-2и – изотермическое сжатие;
1-2а – адиабатное сжатие;
2-3 – изобарное нагнетание.
0
6
5 v
Политропное сжатие рабочего
тела происходит в реальном компрессоре;
изотермическое – теоретически возможно при идеальном
охлаждении;
адиабатное – теоретически возможно при идеальной изоляции
компрессора.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
31

32. Работа компрессора

Работы всасывания, сжатия, нагнетания и расширения
рабочего тела при v3=v4=0 равны соответственно:
v1
l4 1
pdv p (v v ) p v ;
1
v4
1
4
1 1
v2
l1 2
pdv;
v1
v3
l2 3
pdv p (v
2
3
v2 ) p2v2 ;
v2
v4
l3 4
pdv 0.
v3
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
32

33. Техническая работа компрессора

Сложив все работы, мы получим техническую работу:
v2
l l4 1 l2 3 l1 2 l3 4 p1v1 p2v2 pdv 0.
Это выражение можно преобразовать:
v1
2
2
2
2
1
1
1
1
l d ( pv) pdv ( pdv vdp pdv) vdp.
Итак, техническая работа компрессора:
p2
l vdp.
(1)
p1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
33

34. Техническая работа политропного компрессора

Техническая работа компрессора в pv-диаграмме равна
площади цикла 12341, откуда видно, что минимальная работа
соответствует изотермическому сжатию, а максимальная –
адиабатному.
Подставив в уравнение (1) соотношение между параметрами в
политропном процессе сжатия pvn=p1v1n, после интегрирования
получим техническую работу, Дж/кг:
p2 ( n 1)/ n
n
l
p1v1[( )
1].
n 1
p1
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
(2)
34

35. Термодинамические процессы реального 1-ступенчатого компрессора

p
р2
Реальный компрессор отличается
3
2
4
р1
от теоретического наличием
вредного объема Vвр (зазора
между головкой блока и днищем
поршня).
1
0
V
Vвр
Vh
Вредный объем может доходить
до 10 % от рабочего объема
цилиндра Vh.
Поэтому в процессе нагнетания 2-3 не весь сжатый газ
выталкивается в ресивер.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
35

36. Вредный объем

При ходе поршня вниз оставшийся во вредном объеме газ
расширяется (процесс 3-4); всасывающий клапан откроется,
когда давление в цилиндре станет несколько меньше давления
в окружающей среде.
Соответственно, нагнетательный клапан открывается при
давлении в цилиндре несколько выше давления сжатого газа в
ресивере.
Вредный объем снижает производительность компрессора, но
он необходим, чтобы исключить возможность удара поршня о
головку блока цилиндров.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
36

37. Степень сжатия в одной ступени

При сжатии газа происходит его нагрев.
Чтобы температура газа в конце сжатия не превышала
температуру самовоспламенения смазочного масла, степень
сжатия в одной ступени не должна превышать 6…10.
Для получения давлений газа выше 10 бар применяются
многоступенчатые компрессоры.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
37

38. 2-ступенчатый поршневой компрессор

2
1
1 – цилиндр I ступени;
2 – цилиндр II ступени;
3 –холодильник I ступени;
3
4 – холодильник II ступени;
5 – ресивер со сжатым воздухом.
4
5
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
38

39. Термодинамические процессы 2-ступенчатого поршневого компрессора

p
5
6
8
3
р2
px
7
0
4
р1
vx
7-1 – всасывание в ступени НД;
2
1
5
v
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
–
–
–
–
–
сжатие в цилиндре НД;
изобарное охлаждение;
сжатие в цилиндре ВД;
изобарное охлаждение;
изобарное нагнетание.
Из рисунка видно, что по
сравнению со сжатием 1-2-8 в 1-ступенчатом компрессоре в
2-ступенчатом получается выигрыш в работе сжатия на
величину заштрихованной площадки 2-3-4-8-2.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
39

40. Условия разделения на ступени

● работа 2-ступенчатого компрессора должна быть
минимальной, что обеспечивается при равенстве работ;
● сжатие в обеих ступенях должно происходить по одинаковым
политропам;
● температуры газа в начале сжатия в каждой ступени должны
быть одинаковы.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
40

41. Условия минимальной работы 2-ступенчатого компрессора

В соответствии с формулой (2) техническая работа в I и II
ступенях компрессора:
n
px ( n 1)/ n
lI
p1v1[( )
1];
n 1
p1
(3)
n
p2 ( n 1)/ n
lII
px vx [( )
1].
n 1
px
(4)
По условиям минимальной работы 2-ступенчатого
компрессора (см. предыдущий слайд): lI=lII; n=idem; t1=t3,
а для изотермы: p1v1=pxvx.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
41

42. Степень сжатия

Приравняв (3) и (4) и выдержав остальные условия, получим
степень сжатия «ε» в одной ступени:
px p2
,
p1 px
откуда оптимальное давление между ступенями:
px
p1 p 2 .
Разделив обе части предыдущего равенства на р1, получим:
px
p1
p2 p2
.
p1 px
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
42

43. Турбокомпрессор

Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
43

44. Преимущества турбокомпрессоров

● меньшие габариты и масса;
● отсутствие всасывающих и нагнетательных клапанов;
● большая скорость вращения (электродвигатель на валу
компрессора);
● большая производительность;
● равномерность подачи воздуха, поэтому не нужны большие
резервуары;
● воздух чистый, не загрязненный смазкой;
● отсутствие инерционных усилий из-за отсутствия возвратнопоступательно движущихся поршней.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
44

45. Недостатки турбокомпрессоров

● несколько меньшие КПД;
● у центробежных компрессоров степень сжатия до 8…10,
производительность до 10 м3/с;
● у осевых компрессоров степень сжатия до 4…5,
производительность очень высокая;
● поэтому при V>5 м3/с лучше использовать осевые
компрессоры с приводом от газовой турбины.
Есть также компрессоры струйные, ротационные и винтовые.
Теплоносители и их свойства © Шаров Ю. И. © НГТУ, 2014
45