Рациональная организация рабочего места и труда слесаря. Обеспечение балансировки напильника при опиливании плоскостей. Технология работы с высокопроизводительными приспособлениями и механизированными устройствами, основные безопасные приемы опиливания.
Аннотация к работе
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» ПРАКТИКУМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ОСНОВЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛА» Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» в качестве методических указаний для студентов, обучающихся по программе высшего профессионального образования по специальности 140100.62 Теплоэнергетика и теплотехника.рациональная организация рабочего места и труда; приемка рабочей позы; обеспечение балансировки напильника при опиливании плоскостей; правильное проведение опиливания различных заготовок; работа с высокопроизводительными приспособлениями и механизированными устройствами; безопасные приемы опиливания.Практическое занятие №1 Практическое занятие №2 Практическое занятие №3 Практическое занятие №4 Практическое занятие №5 Практическое занятие №6 Практическое занятие №7 Практическое занятие №8 Практическое занятие №9 Практическое занятие №10 ПриложениеT,s-диаграммы для аммиакаПtrialение Бе,h-диаграмма для аммиака h, lgp-диаграмма для хладона R-l 1 h, lg р-диаграмма для хладона R-11. Приложение 4 e,h-диаграмма для хладона R-12. Приложение 5 h, lg p-диаграмма для хладона R-12B1.Приложение 6 h, lg р-диаграмма для хладона R-13.Приложение 7 h, lg p-диаграмма для хладноа R-14. Приложение 9 h, lg p-диаграмма для хладноа R-22. Приложение 10 h, lg p-диаграмма для хладноа R-114.Газодинамические функции ? K=1.4 K=1.3 e Т q e Т q
Трансформаторами тепла (или термотрансформаторами) называются технические системы, в которых осуществляется отвод энергии в форме тепла от объектов с относительно низкой температурой к приемникам тепла с более высокой температурой. Такое преобразование, называемое в технике повышением потенциала тепла, не может, как следует из термодинамики, происходить самопроизвольно. Для повышения потенциала тепла необходима затрата внешней энергии того или иного вида: электрической, механической, химической, кинетической энергии потока газа или пара и др.
Процессы повышения потенциала тепла классифицируются [14] обычно в зависимости от положения температурных уровней: верхнего — теплоприемника Тв и нижнего — теплоотдатчика Тп по отношению к температуре окружающей среды To.с, принимаемой в большинстве случаев равной 20°С (293 К).
В том случае, когда температура теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды Тн<T o.с, а теплоприемника равна этой температуре Тв = Т о.с, осуществляющая отвод тепла система (трансформатор тепла) называется рефрижератором (класс R — от английского слова refrigeration — охлаждение).
При Тн To.с и Тв>То.с соответствующий трансформатор тепла называется тепловым насосом (класс Н — от английского слова heat — тепло).
1
При ТНТО.с трансформатор тепла осуществляет обе функции — и рефрижератора, и теплового насоса; он называется комбинированным (класс RH).
В основном работа рефрижератора заключается в выработке холода, т. е. отводе в окружающую среду тепла от объектов, температура Тв которых ниже температуры окружающей среды. В зависимости от уровня Тн рефрижераторы делятся на две подгруппы: при Тн 120 К соответствующие системы называются холодильными, при Тн< 120 К — криогенными .
2
Теплонасосная система предназначена для использования тепла, отводимого от окружающей среды или другого низкопотенциального
1 Термин “тепловой насос” не оптражает существа физических процессов в трансформаторе тепла, поскольку, как известно, тепло не материальная субстанция, которую можно “перекачивать”.Как и аналогичные термины “теплоемкость” и “теплопроводность”, он сложился под влиянием представлений о существовании невесомой тепловой субстанции — “теплорода” господствовавших в наукевплоть до XIX в.
2 От греческих слов “крио” — холодный и “генос” — производить. источника (например, отработавшей воды или пара), для бытового или технологического теплоснабжения— подвода тепла при Тв То.с. Обычно Тв не превышает 400—450 К, поскольку тепло более высокого потенциала, как правило, выгоднее получать при использовании химического или ядерного топлива.
На рис. 0.1 показаны характерные температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения
Рисунок 0.1 Температурные зоны использования трансформаторов тепла различного назначения
Теплоприемником — охлаждающей средой, к которой отводится тепло от охлаждаемого объекта, в рефрижераторных системах служит обычно окружающая среда (атмосферный воздух или вода), в теплонасосных и комбинированных системах отапливаемые помещения или обогреваемые элементы технологической аппаратуры.
Очевидно, что процессы во всех трансформаторах тепла трех описанных видов (R, Н и RH) независимо от конкретной схемы должны моделироваться обратными термодинамическими циклами [13, 25]. В общем виде такие обратные циклы на Т, s -диаграмме показаны на рис.
Рисунок 0.2. Принципиальная схема циклов трансформаторов тепла на Т, s-диаграмме. а — рефрижератор; б—тепловой насос; в — комбинированный трансформатор тепла.
Анализ диаграмм всех трех видов трансформаторов тепла показывает, что температурные границы циклов всегда шире интервала между температурами теплоотдатчика и теплоприемника. Это обусловлено требованиями внешнего теплообмена. В верхней части цикла, где тепло Qo.с или Qв отдается рабочим телом, его температура должна быть выше To.с или Тв, в нижней, напротив, рабочее тело, получающее тепло Qo или Qo.с, должно иметь температуру ниже Тн или То.с. В этом обратные циклы существенно отличаются от прямых, у которых интервал изменения температур рабочего тела меньше разности температур источника и приемника тепла.
Процессы 1-2, характеризуемый отводом тепла и уменьшением энтропии, 3-4, характеризуемый подводом тепла и возрастанием энтропии, а также 2-3 и 4-1, происходядящие соответственно с понижением и повышением температуры рабочего тела, могут проводиться самыми разными способами и с использованием различных рабочих тел. Однако во всех случаях изменения энтропии и температур, перечисленные выше, неизбежно осуществляются.
Особое значение в трансформаторах тепла имеет процесс 2-3", связанный с понижением температуры до самой нижней точки цикла его рассмотрению будет уделено в дальнейшем особое внимание. Наиболее простым эталоном цикла трансформатора тепла может служить обратный цикл Карно. Но на практике для трансформации тепла обычно используются другие циклы и процессы, существенно отличающиеся от цикла Карно. Причина этого не только в том, что систему, в которой бы протекал реальный цикл, близкий к циклу Карно, трудно реализовать на практике, но и в том, что существуют и другие циклы (в частности, с регенерацией), которые позволяют при прочих равных условиях обеспечить более высокую эффективность системы трансформатора тепла. Кроме того, некоторые процессы трансформации тепла, производимые, например, посредством полупроводниковых термоэлементов, протекают вообще без каких-либо циклов. Однако их конечные термодинамические показатели определяются, естественно, теми же значениями, что и для обратных циклов. Подробнее об этом сказано в следующих главах книги.
Практическое занятие №1
Тема: Термодинамические основы трансформации тепла.
Программа работы: 1. Ознакомиться с примерами решения. 2. Выполнить задание по вариантам
3. Составить отчет по выполненной работе.
ЦИКЛИЧЕСКИЕ, КВАЗИЦИКЛИЧЕСКИЕ И НЕЦЕКЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНСФОРМАТОРАХ ТЕПЛА
Классификация трансформаторов тепла по таким признакам, как принцип работы, характер трансформации и характер протекания процесса во времени, должна быть дополнена их разделением по существенному термодинамическому признаку — характеру протекающих в них процессов.
Трансформаторы тепла с циклическими процессами
В трансформаторах тепла этого класса осуществляется замкнутый процесс (цикл). В них рабочее тело установки, совершив определенные процессы, периодически возвращается в исходное состояние. Примеры процессов, показанные на рисунке 0.2, относятся к трансформаторам тепла этого класса. Рабочее тело не переходит контрольную поверхность системы, не поступает в нее и не выходит за пределы. Таким образом, обмен энергией через, границы системы может происходить только в двух формах — тепла" Q и работы L. Уравнение энергетического баланса такого трансформатора тепла в общем случае будет иметь вид:
Или (1.1), где индексом «вх» обозначены входящие потоки энергии и «вых» — выходящие.
Процессы в циклах трансформаторов тепла (как и в ряде других систем преобразования энергии) могут протекать с изменением параметров тела во времени в каждой точке системы и без их изменения. В первом случае процессы будут нестационарными, во втором — стационарными.
Примером цикла с нестационарными процессами может служить классический обратный цикл Карно, если его проводить в одном сосуде с поршнем (как в работе С. Карно [24]). На рисунке 1.1 показаны схема соответствующей системы в четырех положениях (а) и изображение процессов на Т, s-диаграмме (б).
Рисунок 1.1 схема установки для осуществления обратого цикла Карно с нестационарными процессами I-IV.
Здесь 1-2— повышение давления* от pi до р2 в процессе изэнтропного сжатия с затратой работы L"1-2 ; 2-3— изотермическое повышение давления от р2 до р3, сопровождающееся затратой работы L"2-3 и отводом тепла Q"" . Затем следуют процессы 3-4 (изэнтропное понижение давления с р3 до р4, сопровождающееся возвратом работы
L"3-4) и 4-1 (изотермическое понижение давления с р4 до р1 которое связано с отдачей работы L""4-1 и подводом тепла Q").
Система, в которой протекает тот же цикл, но со стационарными процессами, показана на рис. 1.2,а. Как видно из сравнения рисунке 1.1,6 и 1.2,6, диаграммы и все термодинамические характеристики процессов совершенно одинаковы. Параметры рабочего тела в каждой точке (1, 2, 3 и 4) на рисунке 1.2,а не меняются по времени, они стационарны.
Стационарность обеспечивается переходом рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое; изменение параметров происходит с перемещением вещества в пространстве. В сосуде с поршнем (рисунок 1.1,с) параметры переменны во времени; процесс в нем нестационарный.
Цикл Карно — один из циклов, которые могут быть осуществлены одинаково как в стационарных, так и в, нестационарных условиях; большинство циклов могут быть либо стационарными, либо нестационарными.
Трансформаторы тепла с квазициклическими процессами.
В таких трансформаторах тепла совершается разомкнутый процесс — квазицикл. Его характерная особенность состоит в том, что рабочее тело после совершения процессов в определенной последовательности частично или полностью выводится из системы, а взамен него в нее поступают (непрерывно или периодически) новые порции рабочего тела, и процессы повторяются в той же последовательности. Таким образом, обмен энергией через границы системы (в данном случае открытой, а не закрытой, как при циклических процессах) происходит не только в виде тепла и работы, но и энтальпией с потоком рабочего тела.
Уравнение энергетического баланса такой системы имеет вид: (1.2) где Івх и Івых — соответственно энтальпии входящих и выходящих потоков рабочего тела (или тел)
Рисунок 1.2. Схема установки для осуществления обратного цикла Карно со стационарными процессами. а — схема; б — цикл в Т, s-диаграмме.
Чаще всего разомкнутые процессы типа квазициклов применяются в системах, где используется атмосферный воздух. Такие квазициклы в ряде случаев, как этот будут показаны ниже, обладают существенными преимуществами перед циклами при технической реализации.
Следует иметь в виду, что квазицикл представляет собой частный случай разомкнутого процесса; существуют разомкнутые процессы, не относящиеся к квазициклам. Эта разница иллюстрируется диаграммами на рисунке 1.3, где а — обратный квазицикл, б — разомкнутый процесс, не являющийся квазициклом. Из диаграммы видно, что для квазицикла характерны одвод тепла (в данном случае Q") при росте энтропии рабочего тела (от s2 до sз) и отвод (Q") с уменьшением энтропии (с s1 до s5). Другими словами, при работе квазицикла, как и в цикле, происходит трансформация тепла.
Рисунок 1.3 Изображение квазицикла и разомкнутого процесса на Т,s-диаграмме.
В разомкнутом процессе (рисунок 1.3,6) есть только подвод тепла Q" и одностороннее изменение энтропии (в данном случае увеличение от S1 до S2). Естественно, что квазицикл может быть как обратным, так и прямым; в последнем случае тепло подводится на более высоком уровне и отводится на низком.
Квазициклы, как и циклы, могут быть стационарными и нестационарными.
Трансформаторы тепла с нециклическими (ациклическими) процессами
В трансформаторах тепла этого класса состояние рабочего тела в процессе работы вообще не меняется; все его параметры постоянны, во времени.
Примером могут служить трансформаторы тепла, основанные на эффекте Пельтье — возникновении разности температур в паре разнородных электропроводных материалов (например, полупроводников), помещенных в электрическое поле. В такой паре при пропускании через них постоянного тока на одном из спаев поглощается тепло, а на другом выделяется. Таким образом, при установлении стационарного режима происходит процесс трансформации тепла без какого-либо изменения состояния или механического движения рабочего тела.
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА СИСТЕМ ТРАНСФОРМАЦИИ ТЕПЛА
При изучении процессов преобразования энергии в трансформаторах тепла, в том числе и в различных низкотемпературных установках, необходимо наиболее удобным и наглядным путем оценивать термодинамическую эффективность процессов в целом и их частей, а также источники потерь в них.
Для этого целесообразно использовать общий термодинамический метод анализа — эксергетический.
Рассмотрим коротко некоторые основные положения эксергетического метода термодинамического анализа применительно к трансформации тепла и связанным с ней низкотемпературным процессам.
Все реальные технические процессы, в том числе и перечисленные-во введении низкотемпературные, происходят в условиях взаимодействия с окружающей средой. Ее параметры — температура То.с и давление ро.с — практически не меняются при энергетических взаимодействиях с техническими системами и в этом смысле могут считаться постоянными.
Любые энергетические ресурсы термодинамической системы, как и превращения энергии, должны оцениваться с учетом влияния этих параметров окружающей среды. Поэтому использование понятия энергии как общей меры движения материи в рассматриваемой системе недостаточно. Развитие техники заставляет учитывать тот факт, что не всякая энергия и не при всех условиях может быть целиком пригодна для практического использования. Техническая ценность энергии зависит не только от ее собственных форм и параметров, но и от параметров окружающей среды.
С этой точки зрения во всех энергетических превращениях, обеспечивающих работу установки, может спользоваться энергия двух видов: 1) энергия, полностью превратимая в любой другой вид энергии независимо от параметров окружающей среды (организованная);
2) энергия, которая не может быть полностью превращена в другой вид энергии;
Возможности ее превращения определяются как параметрами, характеризующими эту энергию, так и параметрами окружающей среды («неорганизованная»).
С позиций закона сохранения энергии (первого начала термодинамики) оба вида энергии идентичны; но с позиций закона, определяющего превратимость видов энергии (второго начала термодинамики), эти виды энергии существенно различаются.
В отношении технической применимости ценность любой энергии определяется не только количеством, но и степенью использования ее в данных условиях, т. е. превращения в другие виды энергии. Например, колоссальная энергия беспорядочного теплового движения молекул воды в водоемах бесполезна, если ее температура равна температуре окружающей среды. Техническая ценность такой энергии равна нулю, так как она не может быть использована и преобразована в какой-либо другой вид энергии. Поэтому при термодинамическом анализе технических процессов важно изучать потери только превратимой энергии.
Мерой превратимости любого вида энергии может служить механическая или электрическая энергия, поскольку эти виды энергии полностью преобразуемы в другие виды. Поэтому если можно в данных условиях превратить определенное количество данной энергии в электрическую или механическую, то это полностью гарантирует возможность полного преобразования этого количества энергии в любой другой вид организованной энергии. Условия такого преобразования определяются вторым началом термодинамики.
В свете изложенного возникла необходимость введения общей меры для всех видов энергии, способных при взаимодействии с окружающей средой с постоянными параметрами к преобразованию в другие виды организованной энергии. Ясно, что наиболее полное превращение энергии соответствует условию, что все процессы как внутри системы, так и при ее взаимодействии с окружающей средой обратимы.
Такая мера превратимости энергии системы была названа эксергией системы3.
Эксергия системы в данном состоянии измеряется количеством механической или другой полностью превратимой энергии, которое может быть получено от системы в результате ее обратимого перехода из данного состояния в состояние равновесия с окружающей средой.
Из первого и второго начал термодинамики непосредственно следует, что в каждом данном состоянии эксергия системы, как и энергия, имеет определенное фиксированное значение.
Эксергия системы, находящейся в окружающей среде с постоянными параметрами, остается неизменной только при обратимом проведении всех процессов, протекающих как внутри нее, так и при взаимодействии с окружающей средой. Если любые из этих взаимодействий проходят необратимо, то эксергия соответственно уменьшается.
Это основное свойство эксергии позволяет использовать ее как меру обратимости того или иного процесса. Разность значений
3 Термин “энергия”, введенный в 1956 г. З. Рантом по предложению Р. Планка, образован от греческого слова ergon “работа, сила” и приставки ex, означающей “из, вне” эксергии, вводимой в данную систему и выводимой из нее , определяет суммарные потери от необратимости в системе, проявляющиеся как уничтожение, т. е. полное исчезновение эксергии.
В отличие от эксергии энергия при этом не исчезает, а только рассеивается — происходит ее диссипация (dissipation).
Потери эксергии при диссипации: (1.3)4
Только в обратимом процессе = и = 0, поскольку диссипация энергии отсутствует. В этом эксергия аналагична энтропии, возрастание которой в замкнутой системе также отражает потери от необратимости. Однако практическое преимущество эксергии состоит в том, что ее уменьшение дает сразу значение потерь превратимой энергии и позволяет сопоставлять их с имеющимся количеством этой превратимой энергии (т. е. получать и абсолютное, и относительное значение потерь). Отношение эксергии , отводимой из системы, к подведенной эксергии представляет собой коэффициент полезного действия — эксергетический КПД, который характеризует степень приближения процесса к идеальному: (1.4)
В идеальном процессе =1, в реальном т.е < 1.
Потери ?D могут быть разделены на две группы: 1) внутренние Di, связанные с необратимостью процессов, протекающих внутри системы;
2) внешние De, связанные с условиями взаимодействия системы с окружающей средой и другими источниками и приемниками энергии.
В трансформаторах тепла и, в частности, в рефрижераторных установках примерами внутренних потерь могут служить потери, связанные с дроссеtrialанием, гидравлическими сопротивлениями, трением в машинах, тепло- и массообменом при конечных температурных напорах и др. К внешним потерям относятся те, которые связаны, например, с отличием температуры охлаждаемого тела от температуры хладоагента, а также потери через тtrialую изоляцию. К этой же группе относятся потери в системах с trialциклами, вызванные потоками рабочего тела, выходящими из установок, эксергия которых не используется, например нагретая охлаждающая вода, отбросной азот в кислородных yctrialkax и др.
4 Уравнение 1.3 относится, естественно, к стационарным процессам без накопления или затраты энергии ?ЕСИСТ в самой системе
Внутренние и внешние потери легко разделить при помощи той же формулы (1.3). Если в ней приняты значения эксергии, взятые по параметрам самой установки, полученное значение ?Di, будет соответствовать только внутренним потерям. Если в уравнение (1.3) входят значения эксергии, отдаваемой или получаемой внешними источниками и приемниками энергии, то ?D включает и внешние и внутренние потери. Путем последовательного применения уравнения (1.3) к отдельным элементам установки легко установить распределение в них внутренних потерь.
Для стационарного процесса уравнение (1.3) может быть представлено в виде: trial
На рисунке 1.4 показаны в общем виде энергетический (а) и эксергетический (б) балансы системы.
Рисунок 1.4 балансы системы.а- энергетический и б-эксергетический
Такой системой может быть трансформатор тепла, низкотемпературная установка или любая их часть. Энергия в такую систему может вводиться или выводиться из нее в трех видах: механической или электрической работы L, потока тепла Q и энергии потока рабочего тела I.
По первому началу термодинамики сумма вводимой энергии всех видов должна быть равна сумме энергий всех видов, отводимой от установки, независимо от качества процесса преобразования одного вида энергии в другой.
Энергетический баланс такой системы определяется уравнением
(1.6) аналогичным уравнению (1.2).
Эксергетический баланс системы определяется уравнением (1.3), из которого видно, что в реальных процессах часть энергии переходит в неработоспособную форму.
Первое начало термодинамики не устанавливает никаких ограничений перехода одного вида энергии в другой, важно только, чтобы сохранялась их сумма. triale начало термодинамики накладывает дополнительно определенные ограничения на преобразование энергии. Например, тепло, подводимое к системе, не может целиком перейти в работу так, чтобы Qвых=0.
Для составления эксергетического баланса системы необходимо изучить метод определения эксергии для энергии тех видов, которые встречаются в системах трансформации тепла.
Примеры решения задач:
Пример 1.1. Определить эксергию 4190 КДЖ холода, полученного при температуре кипения жидкого азота Ts=77.36 К.
Решение. Коэффициент работоспособности холода:
Эксергия холода:
Пример 1.2. Определить значение коэффициента работоспособности тепла ,отведенного при температуре кипения хладона R=12(ts=-29,8°С), и сравнить его с коэффициентом работоспособности, подсчитанным для температуры жидкого гелия (Ts= 4,22 К).
Решение. Коэффициент работоспособности при t = -29,8 °С:
Коэффициент работоспособности при Т = 4,22 К:
Сравнение и показывает, что для получения холода при температуре жидкого гелия необходимо затратить работы примерно в 330 раз больше (-68,5/-0,206), чем для получения того же количества холода при температуре кипения жидкого хладона R-2.
Пример 1.3. Составить тепловой и эксергетический баланс системы, производящей холод Q0, и определить ее КПД, если известно, что система потребляет 20 КВТ электроэнергии Nииз системы отводится энергия Qt виде тепла в количестве 62 КВТ. Коэффициент работоспособности отведенного из установки тепла ?q= 0,033; коэффициент работоспособности полученного холода
Решение. Из теплового баланса системы (N Q0=Qt)определяем количество произведенного холода: Q0=62 - 20 = 42 КВТ.
На основе эксергетического баланса, КВТ: Еэ=Eq Е0 D где D — потери эксергии.
Определяем КПД системы:
Пример 1.4. Определить, насколько уменьшилась удельная эксергия потока хладагента R-12, который в теплообменном аппарате при давлении 0,425 МПА охлаждается с t1= 55 °С до t2=20.
Решение. Эксергия потока хладагента R-12 на входе в теплообменник
Параметры на входе определяются по T,s-диаграмме хладона R-12: при t 1 = 55 ° С , р = 0,425 Мпа, h = 608 КДЖ/кг и s = 4,855 КДЖ/ (кг-К).
Эксергия потока хладона на выходе из теплообменника:
Параметры на выходе при t2= 20 °С и p=0,425 Мпа h 2 = 584 КДЖ/кг и s=4,78 КДЖ/(кг*К).
Уменьшение эксергии потока
Пример 1.5. Определить количество эксергии, отдаваемой 1 кг воздуха при охлаждении его в концевом холодильнике компрессора с Т1 = 500 К до Т2 = 320 К при давлении р =0,6 МПА.
Решение. Пользуясь е,h-диаграммой воздуха, находим значение эксергии при р=0,6 МПА и t1 =500 К; е1= 200 КДЖ/кг.
Значение эксергии охлажденного воздуха при t2=320 K, e2=151КДЖ/кг.
Количество отведеной эксергии составит: ????
Пример 1.6. Определить удельную затрату работы в идеальном холодильном цикле (обратном цикле Карно), производящем холод при нормальной температуре кипения tsхладагента R-13 при условии, что температура теплоприемника Тввыше температуры окружающей среды, равной 293 К, на 8 К.
Решение. Определяем tsиз диаграммы для хладона R-13: ts= -81.5°С (191.5 K). Коэффициент работоспособности холода при Тн=191,5 К.
Удельная затрата работы
Пример 1.7. Определить приращение удельного расхода эксергии в идеальных теплонасосных установках в зависимости от изменения температуры теплоприемника Твв диапазоне от 293 до 106 К при Тн=То.с=293 К.
Решение. Задаваясь несколькими промежуточными значениями Т =393; 493; 693; 893 ; 5 * 103; 104; 105 К, определяем приращения удельного расхода эксергии ?эв/?ТВ= ?ТН/ ?ТВ2, приведенные в таблице. в
Тв , К ?эв/?ТВ
293 34*10-4
393 19*10-4
493 12*10-4
693 61*10-5
893 366*10-6
Тв , К ?эв/?ТВ
1000 293*10-6
5 * 103 117*10-6
104 293*10-8
105 293*10-10
106 293*10-12
Пример 1.8. Определить ошибку при подсчете коэффициента работоспособности холода по среднеарифметической температуре при условии, что действительный процесс отвода тепла (рисунок 1.5) заменяется процессом, протекающим по линейному закону (штриховая линия). Принять тн1= -18 ° С , тн2= -25 ° С .
Рисунок 1.5. Процесс изменения температуры
Решение. Среднеарифметическая температура
Коэффициент работоспособности при
Действительная средняя температура (среднеинтегральная)
Коэффициент работоспособности при
Абсолютное значение ошибки
Относительное значение ошибки
При замене действительной средней температуры ее среднеарифметическим значением коэффициент работоспособности холода занижается примерно на 3%.
Задания для самостоятельного рассмотрения: № вар. № задачи № вар. № задачи 1 1,12,7 17 5,8,12
Задача 1.1. Рассчитать и по полученным данным в координатах ?q-Тпостроить график изменения коэффициента работоспособности тепла ?qв зависимости от температуры Т в интервале от ? до 0 К. За температуру окружающей среды Т принять 293 К. Для расчета целесообразно задаться следующими значениями Т = 106; 105; 104; 5*103; 3*103; 103; 800; 600; 400; 200; 150; 100; 50; 30; 10; 5; 3; 2; 1; 0,1 К . o.c
Задача 1.2. Определить, во сколько раз удельная эксергия холода, полученного при нормальной температуре жидкого гелия, больше удельной эксергии холода, полученного при нормальной температуре: а) жидкого водорода; б) жидкого кислорода; в) жидкого аммиака.
Задача 1.3. Определить температурные границы между зонами кондиционирования, холодильной техники, криогенной техники и ультранизких температур, если значения эксергетических температурных функций соответственно равны:?c= ?`q= -0.1; -1.44; -100. Температура окружающей среды 293 К.
Задача 1.4. Составить тепловой и эксергетический балансы системы, производящей холод при температуре - 20°С в количестве Q0 = 25 КВТ, и определить ее КПД, если известно, что потребляемая мощность N = 12,5 КВТ. Из системы отводится ЭНЕРГИЯQTВ виде тепла с коэффициентом работоспособности ?q= 0,032.
Задача 1.5. Определить, каким образом и насколько изменится удельная эксергия хладагента R-12, который при давлении р = 0,15 МПА в испарителе холодильной установки переходит из жидкого состояния в состояние сухого насыщенного пара.
Задача 1.6.Определить, какое количество эксергии (работы) надо подвести к воздуху в идеальном процессе, чтобы при давлении 0,5 МПА перевести его из газообразного состояния при Т = 293 К в двухфазное состояние пар — жидкость с содержанием 80% жидкости.
Задача 1.7. Определить, во сколько раз уменьшится работа в идеальном теплонасосном цикле, производящем тепло на уровне 80 °С, если температура теплоотдатчика изменяется с 293 до 303 К.
Задача 1.8. Определить зависимость темпа изменения удельного расхода работы (эксергии) в идеальных холодильных установках эн/Тн=То.с/Тн2 при следующих значениях температуры теплоотдатчика Тн= 293; 253; 213; 173; 133; 93: 13; 8; 3; 2; 1; 0,1 К, То.с =293 К.
Задача 1.9. Определить отношения изменения удельного расхода эксергии в идеальных холодильных установках (при Тв= idem) на каждые 3 К уменьшения Тнв интервалах температур: а)8-5 К; 6)13-10К: в) 93-90 К; г) 173-170 К к изменению в интервале 253-250 К.
Задача 1.10. Определить характер и ошибку при подсчете коэффициента работоспособности холода при неизотермическом отводе тепла, если действительный процесс заменяется линейным (см. рис. 1.1) при следующих условиях: а) Тн1 = 90 К; Тн2 = 80 К; б) Тн1= 30 К; Тн2= 20 К; в) Тн1 = 14 К; Тн2= 4 К. Во всех трех случаях принять То.с= 293 К.
Задача 1.11. Определить характер и ошибку при подсчете коэффициента работоспособности холода при неизотермическом отводе тепла, если действительный процесс заменяется линейным при следующих Условиях (см. рис. 1.1): а) Тн1 = 260 К; Тн2 = 200 К; б) Тн1 = 260 К,Тн2 = 140 К; в) Тн1 = 260 К; Тн2= 80 К. Температура окружающей среды То.с = 293 К triala 1.12. Определить характер и ошибку при подсчете коэффициента работоспособности тепла при его неизотермическом подводе, если действительный процесс (рис. 1.6) заменяется на линейный (штриховая линия). Принять Тв2= 280 К (7 °С) и Тв1 = 380 К (107°С).
Рисунок 1.6 График изменения температуры
Практическое занятие №2
Тема: Парожидкостные компрессорные трансформаторы тепла (холодильные и теплонасосные установки).
Программа работы: 1. Ознакомиться с примерами решения. 2. Выполнить задание по вариантам
Основная задача расчета состоит в определении расхода рабочего агента, тепловых нагрузок отдельных агрегатов установки и расхода работы или электрической энергии на трансформацию тепла.
Рассмотрим методику расчета холодильных и теплонасосных установок.
Рефрижераторные установки: Для расчета установки должны быть заданы: 1) холодопроизводительность Qo;
2) температура Тв теплоотдатчика. Когда температура охлаждаемой среды изменяется вдоль поверхности теплообмена испарителя, например когда тепло отдатчиком служит охлаждаемый рассол, должны быть заданы или выбраны температуры охлаждаемой «среды на входе Тв и выходе Тв2 из испарителя. Изменение температур потоков в испарителе для такого случая показано на рисунке 2.1,а. Здесь и далее принята следующая индексация температур потоков: индекс 1 — более высокая температура (теплый конец), индекс 2 — более низкая температура
Рисунок 2.1. Изменение температуры потоков» в испарителе (а), конденсаторе (б) и охладителе (в) (холодный конец).
3)температура Тв теплоприемника (охлаждающей воды, воздуха и т. д.). Когда температура охлаждающей среды изменяется по длине конденсатора холодильной установки, должны быть заданы или выбраны температуры этой среды на входе-Тв2 и выходе Тв1 из конденсатора. Изменение температур потоков в конденсаторег показано на рис. 2.1б;
4) хладоагент; 5)схема установки.
Задают или выбирают на основе предварительных технико-экономических расчетов значения меньшей разности температур греющей и нагреваемой сред в испарителе Ти конденсаторе ТК.
Определяют температуры испарения и конденсации:
Оценивают индикаторный (адиабатный) и электромеханический КПД компрессора. Наносят процесс работы холодильной установки на термодинамическую (T, s; i, s, р, i или е, i) диаграмму (смотри рисунок 2.1). Если, кроме основного источника охлаждающей воды, предназначенного дляохлаждения конденсатора, имеются небольшие дополнительные ресурсы охлаждающей среды более низкой температуры (например, артезианская вода), которые по дебиту недостаточны для охлаждения конденсатора, но могут быть использованы для дополнительного охлаждения жидкого рабочего агента перед регулирующим вентилем, то в схему установки включается охладитель конденсата. В этом случае должны быть заданы расход этой среды и ее температура Та2 на входе в охладитель. Изменение температуры потоков в охладителе показано на рисунок 2.1в. На основе этих данных определяют температуру жидкого рабочего агента после охладителя.
Расчет установки производится по формулам: массовый расход рабочего агента, кг/с
(2.2) объемная производительность компрессора
(2.3) расчетная тепловая нагрузка конденсатора, КДЖ/с, (2.4) расчетная тепловая нагрузка охладителя, КДЖ/с, (2.5) электричtrial мощность компрессора,КВТ, (2.6) тде Qo — холодопроизводительность,СДЖ/с; qo — удельный подвод тепла в испарителе, КДЖ/кг; — удельный расход электрической энергии на выработку холода — безразмерная величина, определяемая по формуле (2.7).
Холодильный коэффициент и КПД рефрижераторной установки определяется по формулам (2.8) и (2.9) .
Теплонасосные установки: Для расчета установки должны быть заданы: 1) тепловая нагрузка Qв, КДЖ/с;
2)температура Тн теплоотдатчика; как и при расчете рефрижераторной установки, при переменной температуре Тв должны быть заданы или выбраны температуры греды на входе и выходе из испарителя установки Тн1 и Тн2
3)температура теплоприемника,. которая должна поддерживаться с помощью теплового насоса: при переменной температуре Тв должна быть задана температура теплоносителя на входе и выходе из конденсатора Тв1 и Тв2;
При большой разности температур (Тв1—Тв2) целесообразно в тепловых насосах устанавливать перед дроссельным вентилем охладитель жидкого рабочего агента и включать его по нагреваемому теплоносителю последовательно за конденсатором. При этом снижаются потери в установке от дросселирования и необратимого теплообмена, так как теплоноситель охлаждает рабочий агент и поступает в конденсатор предварительно подогретым.
Расчет схемы установки производится следующим образом. Задают или выбирают на основе технико-экономических расчетов значение меньшей разности температур между греющей и нагреваемой средами в испарителе Ти, конденсаторе ТК и охладителе Тохл .
Определяют температуры испарения и конденсации по формулам (2.1а) и (2.1б).
Вычисляют температуру рабочего агента после охладителя
(2.10)
где Та2 — температура нагреваемой среды перед охладителем.
Оценивают индикаторный (адиабатный) КПД и электромеханический КПД компрессора.
Наносят процесс на термодинамическую диаграмму и определяют его основные параметры.
Дальнейший расчет установки (определение расхода рабочего агента и тепловых нагрузок аппаратов) проводится так. же, «ак и для рефрижераторных установок.
Электрическая мощность компрессора: где Qв — тепловая нагрузка теплового насоса; этн — удельный расход электрической энергии на единицу полученного тепла (безразмерная величина), определяемый по формуле:
Где
Коэффициент трансформации и КПД теплового насоса определяются по формулам :
Где этн и эв-удельные расходы работы в идеальном теплонасосном цикле
Полный КПД теплонасосной установки рассчитывается по формуле (2.14), а эксергетический баланс — аналогично примеру (2.2).
Одноступенчатые поршневые компрессионные установки применяются обычно при степени повышения давления рк/ро 7 12.
При больших степенях повышения давления применяются многоступенчатые установки.
При рк/ро 7 100 используются обычно двухступенчатые установки, а при рк/ро>100 — трехступенчатые. Необходимость применения многоступенчатых поршневых компрессионных установок при больших «степенях повышения давления объясняется несколькими причинами.
С увеличением степени повышения давления рк/ро в одной ступени снижаются коэффициент подачи и индикаторный - поршневых компрессоров5. При многоступенчатом сжатии уменьшается степень повышения давления в каждой ступени и увеличиваются и .
С увеличением степени повышения давления растет конечная температура сжимаемого агента, а с ней и удельная работа сжатия. При многоступенчатом сжатии легко применить промежуточное охлаждение между ступенями. В промежуточных холодильниках снижаются
5 Подробнее см. Соколов, Бродянский: Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения гл. 3. температура сжимаемого агента и его удельный объем, благодаря чему уменьшается работа сжатия в следующей ступени.
Особенно заметно снижается расход энергии на трансформацию тепла в многоступенчатых установках, по сравнению с одноступенчаты-ми при потребности в холоде или тепле разных параметров (температур). В этих условиях в многоступенчатых установках снижается затрата энергии на трансформацию тепла в меньшем интервале температур, т. е. на получение холода при более высокой температуре /н или на получение тепла при более низкой температуре тв. В одноступенчатой установке, как правило, весь холод должен вырабатываться при минимальной температуре tu или все тепло должно получаться при максимальной температуре тв.
Рассмотрим принципиальные схемы и метод расчета многоступенчатых трансформаторов тепла.